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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges durch Auswertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Musters, insbesondere eines Ring- oder Punktmusters.
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Eine dreidimensionale Vermessung geometrischer Oberflächen, in unserem Fall der Hornhaut eines Auges, wird auch als Topografie bezeichnet. Die Oberflächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges erweist sich dahingehend schwierig, dass die Messung unter anderem durch Augenbewegungen, Lidschlag, Wimpern, Tränenfilm und Verunreinigungen des Auges erheblich gestört wird.
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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.
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Für die Erfassung der geometrischen Form der Hornhautvorderfläche wird aus einem auf die Vorderseite der Hornhaut mittels einer Projektionsoptik abgebildeten und mit Hilfe einer Kamera aufgenommenen Musters die Topographie der Hornhautoberfläche rekonstruiert. Entscheidend ist hierbei die Zuordnung der einzelnen Elemente des Musters zu den entsprechenden Elementen des (gleichen) Musters für eine entsprechende Referenzfläche. Aus den Abweichungen der Positionen der einzelnen Elemente des Musters lassen sich die Abweichungen der geometrischen Form der Hornhaut gegenüber dieser Referenzfläche ermitteln.
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Nach dem bekannten Stand der Technik ist bei sogenannten Topographen die Verwendung von Placido-Scheiben zur Erzeugung konzentrischer Ringe am weitesten verbreitet.
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Die Placido-Scheiben können dabei sowohl als plane Scheibe ausgeführt sein. Derartige plane Placido-Scheiben sind zwar im Stand der Technik hinreichend bekannt und beispielsweise in
US 5,110,200 A und
US 5,194,882 A beschrieben, verbreiteter sind allerdings sphärisch gewölbte (
US 5,864,383 A ) oder auch trichterförmige (
US 5,684,562 A ,
US 6, 116,738 A ) Placido-Scheiben.
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Die in der
DE 10 2011 102 355 A1 beschriebene Lösung betrifft ebenfalls ein System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea durch Auswertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Ringmusters, wobei diese von einem gefresnelten Axicon mit ringförmigen Strukturen unterschiedlicher Radien erzeugt wird. Dazu wird das gefresnelte Axicon von einer Beleuchtungseinheit vollflächig beleuchtet. Die Auswertung des Spiegelbildes des räumlich verteilten Ringmusters erfolgt mittels einer telezentrischen, entfernungsunabhängigen Bilderfassung.
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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.
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Weiterhin führt die Beleuchtung 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.
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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.
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Nachteilig wirkt sich bei derartigen Lösungen weiterhin aus, dass sich die auf das Auge projizierten Ringe bei einer stark verformten Hornhaut berühren und dadurch nicht exakt detektiert werden können.
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Nach dem bekannten Stand der Technik haben sich auch Topografen etabliert die ein Punktmuster mit bis zu 10.000 Messpunkten auf die zu vermessende Hornhaut abbilden. Dies hat den Vorteil, dass sich die Hornhaut hochgenau vermessen lässt. Eine sehr hohe Anzahl an Messpunkten (z. B. > 1000) kann aber auch den Nachteil haben, dass mit steigender Dichte an Messpunkten die Komplexität und die Fehleranfälligkeit ihrer Zuordnung zum Referenzmuster steigt. Auch steigt die Gefahr, dass sich benachbarte Messpunkte berühren und in der weiteren Verarbeitung nicht trennen lassen (ähnlich sich berührender Ringe, siehe oben).
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Hierzu beschreibt die noch nicht veröffentlichte
DE 10 2016 216611.5 ein entfernungsunabhängiges Messsystem, welches ein Punktmuster auf die zu vermessende Hornhaut abbildet. Das in der
DE 10 2011 102 355 A1 beschriebene gefresnelte Axicon wurde dafür dahingehend verändert, dass die ringförmigen Strukturen über zusätzliche Facettenlinsen verfügen, wodurch vorteilhafte optische Eigenschaften der Projektion erreicht werden. Als weiteren Vorteil weist die hier beschriebene Lösung eine geringe Einbautiefe auf. Zudem lässt sich das gefresnelte Axicon preisgünstig und einfach als Spritzgussteil fertigen.
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Das resultierende Muster besteht aus mehreren, konzentrisch angeordneten Ringen aus beispielsweise äquidistant angeordneten Punkten, wobei auch hier für die Beobachtungsoptik ein zentraler, innerer Bereich frei bleibt. Diese spezielle Anordnung der Punkte spielt für die nachfolgend beschriebene Erfindung aber keine Rolle.
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In einem ersten Bildverarbeitungsschritt werden zunächst die einzelnen telezentrisch erfassten Punkte des innersten Ringes im Bild detektiert und anhand von Polarwinkeln jeder Punkt einem Referenzpunkt zugeordnet. Die restlichen Punkte werden dann iterativ zugeordnet, und zwar durch lokale Zuordnung von Punkten in der Umgebung bereits zugeordneter Punkte.
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Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren aus, dass es sehr sensibel gegenüber lokalen und globalen Störungen bzw. Deformationen des Punktmusters ist, wodurch sich ein lokaler Zuordnungsfehler über große Teile des Musters fortpflanzen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges zu entwickeln, die die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen behebt und eine schnelle, einfache und sichere Zuordnung der einzelnen Elemente des Musters zu den entsprechenden Elementen des Musters für eine entsprechende Referenzfläche erlaubt, um die Zuverlässigkeit der rekonstruierten Topographie der Hornhautoberfläche wesentlich zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges, bestehend aus einem in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Element zur Erzeugung eines Musters und einer Beleuchtungseinheit, einer in einem Detektionsstrahlengang angeordneten Bildaufnahmeeinheit und einer Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gelöst, dass das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet sind, die Kornea mit mindestens zwei Teilmustern nacheinander zu beleuchten, dass die aus einem Abbildungssystem und einem Bildsensor bestehende Bildaufnahmeeinheit für eine telezentrische, entfernungsunabhängige Bilderfassung ausgebildet ist und dass die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor entsprechend zu steuern und die Topografie der Kornea aus den Aufnahmen des Bildsensors zu rekonstruieren.
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Der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung entsprechend ist das Element zur Erzeugung eines Musters ausgebildet ein Punktmuster zu erzeugen.
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Dieses Punktmuster wird in Form von zwei oder mehr Teilmustern nacheinander, d. h. in möglichst kurzem Zeitabstand auf die Kornea abgebildet, wobei sich diese Teilmuster berühren oder auch überlappen können.
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Weitere bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Obwohl die vorgeschlagene technische Lösung speziell für die Bestimmung der Oberflächenform, d. h. der Topografie, der Vorderfläche der Kornea eines Auges vorgesehen ist, kann sie prinzipiell auch für andere technische Gebiete eingesetzt werden, bei denen die Topografie einer spiegelnden, geometrischen Oberfläche bestimmt werden soll.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
- 1: das Design einer zur Erzeugung des Punktmusters verwendeten Facettenlinse,
- 2: das von der Facettenlinse nach 1 erzeugte Punktmuster,
- 3: ein Gesamtbild des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer vollflächigen Beleuchtung,
- 4: eine zur Erzeugung zweier Teilmuster verwendete Facettenlinse mit Beleuchtungseinheit,
- 5: ein von der Facettenlinse nach 4 erzeugtes Teilmuster und
- 6: ein Gesamtbild zusammengesetzt aus zwei Einzelbildern des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer halbseitigen Beleuchtung.
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Die vorgeschlagene Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges besteht aus einem in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Element zur Erzeugung eines Musters und einer Beleuchtungseinheit, einer in einem Detektionsstrahlengang angeordneten Bildaufnahmeeinheit sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit.
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Hierzu zeigt die 1 das Design einer zur Erzeugung des Punktmusters verwendeten Facettenlinse. Die Facettenlinse 1 verfügt über ringförmige Strukturen 2, die mit Facettenlinsen 3 versehen sind. Das Zentrum der Facettenlinse 1 ist frei von ringförmigen Strukturen, da hier der Detektionsstrahlengang 4 verläuft.
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In der 2 ist das von der Facettenlinse 1 erzeugte komplette Punktmuster, d. h. bei einer vollflächigen Beleuchtung, dargestellt.
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Wie bereits beschrieben werden zunächst die einzelnen telezentrisch erfassten Punkte des innersten Ringes im Bild detektiert, einem Referenzpunkt zugeordnet und die restlichen Punkte iterativ zugeordnet. Da die iterative Zuordnung auf bereits in der Umgebung zugeordneten Punkten basiert, können sich lokale Zuordnungsfehler über kleine oder auch größere Teile des Musters fortpflanzen.
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Hierzu zeigt die 3 ein Gesamtbild des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer vollflächigen Beleuchtung. Hierbei sind inkorrekte Punktzuordnungen mit einem Kreuz markiert.
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Erfindungsgemäß sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea mit mindestens zwei Teilmustern nacheinander zu beleuchten. Die aus einem Abbildungssystem und einem Bildsensor bestehende Bildaufnahmeeinheit ist für eine telezentrische, entfernungsunabhängige Bilderfassung ausgebildet. Weiterhin ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor entsprechend zu steuern und die Topografie der Kornea aus den Aufnahmen des Bildsensors zu rekonstruieren.
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Einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet ein Punktmuster zu erzeugen. Dieses Punktmuster wird in mindestens zwei Teilmuster aufgeteilt, nacheinander auf die Kornea abgebildet und jeweils als Bild erfasst.
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Durch die Aufteilung des Punktmusters in mindestens zwei Teilmuster wird die Zuordnung der einzelnen Punkte des Musters zu den entsprechenden Punkten des Referenzmusters wesentlich vereinfacht, da je Einzelbild immer nur ein Teil der Punkte sichtbar ist und dadurch Zusatzinformation über die Lokalisierung der einzelnen Referenzunkte in den Einzelbildern bekannt ist.
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Als Element zur Erzeugung eines Punktmusters wird beispielsweise ein gefresneltes Axicon gemäß der
DE 10 2011 102 355 A1 verwendet, dessen ringförmige Strukturen über zusätzliche Facettenlinsen verfügen. Dabei besteht die Beleuchtungseinheit aus einem zweiteiligen Spiegel und zwei LED-Leuchten, die das gefresnelte Axicon mit Facettenlinsen (im Folgenden kurz: Facettenlinse) getrennt, jeweils zur Hälfte nacheinander beleuchten.
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Hierzu zeigt die 4 eine zur Erzeugung zweier Teilmuster verwendete Facettenlinse mit Beleuchtungseinheit. Die Beleuchtungseinheit besteht aus einem zweiteiligen Spiegel 5 und zwei LED-Leuchten 6 und 7. Zur Erzeugung zweier Teilmuster werden die LED-Leuchten 6 und 7 nacheinander betätigt und beleuchten so, über die Facettenlinse 1, das nicht dargestellte Auge nacheinander mit jeweils einem Teilmuster. Der zweiteilige Spiegel 5 verfügt in seinem Zentrum über eine Öffnung durch die der Detektionsstrahlengang 4 verläuft.
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Die 5 zeigt ein von der Facettenlinse nach 3 erzeugtes Teilmuster.
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Bereits bei dieser Ausgestaltungsvariante mit nur zwei Teilmustern kann die Binärinformation, welche Referenzpunkte in welchem Bild zu erwarten sind, dazu verwendet werden, um bei der lokalen Zuordnung falsche Zuordnungen zu eliminieren. Hierbei wird eine Zuordnung zu Referenzpunkten ausgeschlossen, die im jeweiligen Kamerabild nicht projiziert wurden.
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Hierzu zeigt die 6 ein Gesamtbild des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer halbseitigen Beleuchtung. Hierbei sind inkorrekte Punktzuordnungen ebenfalls mit einem Kreuz markiert.
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Im Vergleich zu 3 ist in 6 deutlich zu erkennen, dass sich lokale Zuordnungsfehler lediglich bis zur Grenze zwischen beiden Teilmustern ausbreiten, wo die Zuordnung der Punkte im Widerspruch zu eben jener Binärinformation steht. Damit werden insgesamt weniger Punkte falsch zugeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung hiervon wird die iterative Zuordnung von Punkten zu Referenzpunkten beginnend an der Grenze zwischen den Teilmustern erneut vorgenommen, wenn die Verwendung der Binärinformation zu einer anderen Zuordnung führt als es ohne sie der Fall wäre. Anschaulich würden die Zuordnungsfehler (Kreuze) in 6 beginnend an der Grenze zwischen den Teilmustern „rückwärts iterierend“ erneut zugeordnet. Die Fehlerfortpflanzung kann dadurch noch deutlich weiter reduziert werden.
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Einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea mit drei oder mehr Teilmustern nacheinander zu beleuchten, wobei die Teilmuster auf die Kornea überlappend oder nebeneinander abgebildet werden.
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Besteht das Punktmuster beispielsweise aus den drei Teilmustern A, B und C, so ist es für eine einfache Zuordnung ausreichend, die Kornea nacheinander wie folgt zu beleuchten:
- - Im ersten Schritt werden die Teilmuster A und B und
- - im zweiten Schritt die Teilmuster B und C auf die Kornea abgebildet.
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Für die Zuordnung ist zu berücksichtigen, dass alle Punkte die nur in der Aufnahme des ersten Beleuchtungsschrittes auftauchen in den Bereich A, alle die nur in der Aufnahme des zweiten Beleuchtungsschrittes auftauchen in den Bereich C und alle die in beiden Bildern auftauchen in den Bereich B gehören.
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Erfindungsgemäß sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea in möglichst kurzem Zeitabstand mit Teilmustern zu beleuchten. Dadurch wird vermieden, dass die Ergebnisse durch eine Augenbewegung zwischen den Aufnahmen verfälscht werden. Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit gemäß einer dritten vorteilhaften Ausgestaltung ausgebildet, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor synchron zu steuern.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen betreffen die erzeugten Teilmuster.
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So ist es beispielsweise möglich, die Beleuchtungseinheit so auszubilden, dass die Teilmuster mit unterschiedlicher Lichtintensität oder unterschiedlicher Farbe auf die Kornea abgebildet werden. Dadurch wird die Zuordnung der einzelnen Punkte zu einem Referenzpunkt wesentlich vereinfacht.
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Auch kann die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet sein, die Kornea mit sich überlappenden Teilmustern zu beleuchten, wobei die Teilmuster aus einzelnen Punkten zusammengefasst sind, die nicht unmittelbar nebeneinander liegen.
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Erfindungsgemäß kann jedes einzelne Teilmuster mehrfach auf die Kornea abgebildet werden, wobei das abgebildete Punktmuster des jeweils abgebildeten Teilmusters variiert wird. Aus dem abzubildenden Teilmuster wird jeweils eine Anzahl von variierenden Punkten ausgewählt und abgebildet. Besonders vorteilhaft ist es, die einzelnen Punkte des Teilmusters über eine Ein-Ausschalt-Folge zu kodieren, wobei die Kodierung eng beieinander liegender Punkte vorzugsweise unterschiedlich ist. Dies ermöglicht eine nahezu fehlerfreie Zuordnung der einzelnen Punkte zu einem Referenzpunkt.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges zur Verfügung gestellt, die auf der Auswertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Musters, insbesondere eines Ring- oder Punktmusters basiert.
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Mit der vorgeschlagenen Lösung werden die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen behoben und eine schnelle, einfache und sichere Zuordnung der einzelnen Elemente des Musters zu den entsprechenden Elementen des Musters für eine entsprechende Referenzfläche ermöglicht, wodurch die Zuverlässigkeit der rekonstruierten Topographie der Hornhautoberfläche wesentlich erhöht wird.
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Obwohl die vorgeschlagene technische Lösung speziell für die Bestimmung der Oberflächenform, d. h. der Topografie, der Vorderfläche der Kornea eines Auges vorgesehen ist, kann sie prinzipiell auch für andere technische Gebiete eingesetzt werden, bei denen die Topografie einer spiegelnden, geometrischen Oberfläche bestimmt werden soll. Dabei sind neben den in der Ophthalmologie bevorzugten Ring- oder Punktmustern auch andere Muster verwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5110200 A [0006]
- US 5194882 A [0006]
- US 5864383 A [0006]
- US 5684562 A [0006]
- US 6116738 A [0006]
- DE 102011102355 A1 [0007, 0013, 0032]
- DE 102011102354 A1 [0010]
- DE 102016216611 [0013]
