DE102020109982A1

DE102020109982A1 - Verfahren zum Vermessen einer Pupille und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102020109982A1
Application number: DE102020109982.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Junggeburth; Gregor Fischer; Benjamin Hoetter; Nora Kim Schulte; Klaus Ruelberg
Original assignee: Stellar Data Broadcast Services GmbH; Technische Hochschule Koeln Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: STELLAR DATA BROADCAST SERVICES GMBH, DE
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche einer Pupille eines Auges sowie eines zeitlichen Verlaufs der Pupillenfläche mit den Schritten des Positionierens des Auges mit einer zu vermessenden Pupille relativ zu einer Messvorrichtung, Aussenden wenigstens eines Stimulus-Lichtreizes zur Stimulierung eines Pupillenlichtreflexes (PLR), wenigstens mehrfaches Erfassen der Pupille während eines vorbestimmten Zeitraumes synchron mit oder nach dem Aussenden des Stimulus-Lichtreizes, wobei zumindest vor und/oder während des Erfassens der Pupille zum Zwecke der Fokussierung des aufzunehmenden Abbildes der Pupille ein optischer Abstand zwischen der abzubildenden Pupille und einer Abbildungsebene einer Kamera verändert wird.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen einer Pupille, insbesondere einer Pupillenfläche einer Pupille eines z.B. menschlichen Auges sowie deren zeitlichen Pupillenflächenverlauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 19.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl sogenannter Pupillometriegeräte und -verfahren bekannt. Aus der US 2009/0174865 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren sowie ein Pupillometriegerät zum Durchführen des gattungsgemäßen Verfahrens bekannt.
Sowohl das Verfahren wie auch das Pupillometriegerät lässt Einflüsse des natürlich auftretenden Hippus eines menschlichen Auges unberücksichtigt und trifft keine Vorkehrungen zur Minimierung des Störeinflusses des Hippus auf die Pupillenreaktion. Des Weiteren sind keine Maßnahmen vorgesehen, die es erlauben, eine Absolutmessung der Pupillenfläche durchzuführen.
Aus der DE 10 2018 103 879 A1 ist ein Fahrtüchtigkeitsmessgerät bekannt, mit dem zu einem bestimmten Zeitpunkt ein menschliches Auge mit Licht beleuchtet und darauffolgend eine Sequenz von Bildern des Auges aufgenommen werden kann. Eine Auswerteeinheit bestimmt zeitliche Abfolgen verschiedener charakteristischer Punkte des ermittelten Pupillendurchmesserverlaufs und wertet diese hinsichtlich einer vorhandenen oder nicht mehr vorhandenen Fahrtüchtigkeit des Probanden aus.
Mit dieser Technologie ist weder die Bestimmung des absoluten Durchmessers oder der Fläche einer Pupille möglich, noch werden Einflüsse des Hippus bei der Messung berücksichtigt.
Aus der US 9,596,986 B2 ist bekannt, Pupillenvermessungen unabhängig voneinander für ein rechtes und ein linkes Auge durchzuführen.
Aus der US 2017/0354327 A1 ist bekannt, ein Pupillometriemessgerät in Form eines vom Probanden tragbaren Gehäuses nach Art einer VR-Brille (virtual reality-Brille) auszubilden.
Der Hippus ist eine vom Menschen aktiv nicht beeinflussbare Aktivität der Pupille. Er ist eine rhythmische Schwankung der Pupillenfläche, welche eine Messung eines Pupillenlichtreflexes (PLR) überlagern kann und somit die Messung zumindest beeinflussen, in manchen Fällen sogar verfälschen kann. Der Hippus ist über die Zeit meist näherungsweise sinusförmig oder ergibt sich aus sich überlagernden sinusförmigen Schwingungen unterschiedlicher Frequenz und/oder Amplitude und weist üblicherweise eine gleichbleibende personenindividuelle Frequenz auf. Auch ist bekannt, dass die Entstehung und das Ausmaß der Hippus-Schwankungen der Pupillenfläche durch Nahakkommodation des entsprechenden Auges begünstigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche einer Pupille eines z.B. menschlichen Auges sowie deren zeitlichen Pupillenflächenverlaufs anzugeben, welches den personenindividuell auftretenden Hippus (Pupillenflächenschwankung unabhängig von einem Pupillenlichtreiz) berücksichtigt und/oder es erlaubt, eine Pupillenfläche absolut zu vermessen, ohne dass eine Referenzaufnahme bzw. ein Bezugsbild des individuellen Probanden erforderlich ist. Es soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine maßstabsgetreue Abbildung und eine Bestimmung einer absoluten Größe hinsichtlich eines Durchmessers und/oder einer Fläche der Pupille möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sollen eine erhöhte Genauigkeit des Messverfahrens ermöglichen, insbesondere soll die Anzahl von brauchbaren Messungen aus einer Anzahl von durchgeführten Messungen erhöht werden.
Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Aufgaben des Verfahrens vorrichtungsmäßig erreichbar sind.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche einer Pupille eines z.B. menschlichen Auges sowie eines zeitlichen Verlaufs der Pupillenfläche nachfolgende Schritte auf:

a) Positionieren des Auges mit einer zu vermessenden Pupille relativ zu einer Messvorrichtung,
b) Aussenden wenigstens eines Stimulus-Lichtreizes zur Stimulierung eines Pupillenlichtreflexes (PLR),
c) wenigstens mehrfaches Erfassen der Pupille während eines vorbestimmten Zeitraumes synchron mit oder nach dem Aussenden des Stimulus-Lichtreizes, wobei
d) zumindest vor und/oder während des Erfassens der Pupillen zum Zwecke der Fokussierung des aufzunehmenden Abbildes der Pupille ein optischer Abstand zwischen der abzubildenden, d.h. der zu vermessenden Pupille und einer Abbildungsebene der Kamera verändert wird.

Durch ein solches Verfahren gelingt, es einen festen Abbildungsmaßstab zu erreichen, weil durch den Verzicht auf eine Fokussierung innerhalb der Optik der Kamera eine Änderung des Abbildungsmaßstabes unterbleibt. Dies insbesondere im Zusammenhang mit einer geringen Schärfentiefe der Kameraoptik, die es zwingend erforderlich macht, eine Fokussierung auf das zu beobachtende Auge genau und in engen Toleranzen durchzuführen, welche derart bewerkstelligt wird, dass eine Abbildungsebene zwischen dem abzubildenden Objekt, d.h. der zu vermessenden Pupille, und einer Abbildungsebene der Kamera verändert wird. Durch ein vorheriges Bestimmen des Abbildungsmaßstabes, beispielsweise unter Ermittlung der Anzahl von Pixeln pro Längeneinheit, kann der Abbildungsmaßstab ausschließlich an vorrichtungsspezifischen Merkmalen ermittelt werden, ohne dass das Auge des Probanden hierfür erforderlich ist. Es muss also keine Referenzmessung durchgeführt werden. Durch die Position der Kameraeinheit relativ zum Auge des Probanden kann alleine aus der Position der Kameraeinheit innerhalb der Messvorrichtung und bei ausreichender Scharfstellung (Fokussierung) des zu vermessenden Auges der Abbildungsmaßstab, und somit absolute Größen und Längen, ermittelt werden. Aus den der Abbildung ableitbaren absoluten Größen und Längen können ohne Weiteres auch Flächenberechnungen oder Durchmesserberechnung anhand der Abbildung durchgeführt werden.
Die Fokussierung im Sinne der Erfindung bedeutet somit in anderen Worten ausgedrückt das Einstellen der Messvorrichtung vor der eigentlichen Abbildung der Pupille auf einen vorher bestimmten Abbildungsmaßstab einerseits und andererseits während des Erfassens der Pupille zum Erreichen eines Abbildes mit ausreichender Schärfe Ändern des optischen Abstandes zwischen der abzubildenden Pupille und einer Abbildungsebene. Fokussierung im Sinne der Erfindung bedeutet somit nicht nur das Scharfstellen des Abbildes, sondern auch eine Einstellung des Messsystems, d.h. der Messvorrichtung, auf einen vorher bestimmten Abbildungsmaßstab. Der zeitlich vorgeschaltete Teil der Fokussierung kann dabei ohne eine reale Pupille, d.h. ohne die Bemühung eines Probanden stattfinden.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Kamera eine Fix-Fokuskamera verwendet. Diese eignet sich in ganz besonderer Art und Weise, weil sie hinsichtlich ihrer Optik eine feste Brennweite und/oder einen festen Fokusabstand hat.
In einer weiteren Ausführungsform wird zum Ändern des optischen Abstandes zwischen der abzubildenden Pupille und der Abbildungsebene der Kamera der Abstand zwischen der abzubildenden Pupille und der Abbildungsebene der Kamera verändert, insbesondere durch Verschiebung der Kamera zusammen mit einem Umlenkspiegel parallel oder im Wesentlichen parallel zu einem Bildvektor oder durch Änderung des Abstandes der Kamera vom Umlenkspiegel.
Durch das Vorsehen eines Umlenkspiegels zwischen dem zu vermessenden Auge und der Kamera kann die Kameraeinheit aus dem Blickvektor bzw. aus dem nahen peripheren Gesichtsfeldes des Probanden entfernt werden, was zu Vorteilen hinsichtlich Streulicht aus anderen Lichtquellen führt und eine einfache Fernakkommodation ermöglicht. Derartige Vorteile sind beispielsweise, dass aufgrund des Hot-Mirrors in Kombination mit einem bestimmten Filter, z.B. einem Vis-Cut-Filter der sichtbare Lichtstimulus nicht im Kamerabild sichtbar ist.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass für das zu vermessende Auge vor und während der Vermessung der Pupille eine Fernakkommodation durchgeführt wird, indem in Verlängerung des Blickvektors des Probanden ein in wenigstens 1 m, bevorzugt wenigstens 2,5 m Entfernung, insbesondere ins Unendliche projizierter Akkommodations-Lichtreiz ausgesandt wird.
Durch die Anwendung einer Fernakkommodation, d.h. eine für den Probanden gefühlten Scharfstellung des Auges auf ein weiter entferntes Objekt, welches sich für den Probanden in wenigstens 1m, insbesondere in wenigstens 2,5 m, besonders bevorzugt im Unendlichen befindet, gelingt es, den Hippus zu dämpfen und somit die Messgenauigkeit zu erhöhen. Hierzu wird mit einer geeigneten Sammellinse eine in unmittelbarer Nähe befindliche Lichtquelle subjektiv für den Probanden in die Ferne bzw. ins Unendliche projiziert. Durch eine Fernakkommodation des zu vermessenden Auges verringert sich ein Hippus des Auges, welcher bei einer Nahakkommodation oder bei einer Lage der Fixationslichtquelle unterhalb des Mindestfokusabstandes des Auges besonders stark ausfallen würde, insbesondere zu einer lichtunabhängigen Pupillenkontraktion führen könnte.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass der Stimulus-Lichtreiz entlang des Blickvektors des Probanden in einem Zwischenraum zwischen der zu vermessenden Pupille und dem Umlenkspiegel als diffuser Stimulus-Lichtreiz, d.h. mit diffusem Licht, ausgesandt wird.
In einem Zwischenraum zwischen der zu vermessenden Pupille des Probanden und dem Umlenkspiegel (Hot-Mirror) für die Kameraeinheit existiert ein günstiger Bereich zur Aussendung von diffusem Licht, das als Stimulus-Lichtreiz verwendet wird und eine Pupillenkontraktion der zu vermessenden Pupille auslöst. Bevorzugt wird ein diffuser Stimulus-Lichtreiz erzeugt, damit der Proband nicht verleitet wird, auf einen punktuellen oder scharf umrissenen Lichtreiz zu reagieren, in dem er seinen Blick dorthin ausrichtet. Bevorzugt wird der diffuse Lichtreiz in einer Umgebung des nahen peripheren Gesichtsfeldes des zu vermessenden Auges ausgesandt.
In einer besonderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zur Aussendung des Stimulus-Lichtreizes sichtbares Licht verwendet wird, welches von einem mit einer Durchblicköffnung versehenen Rahmen ausgesandt wird.
Der Stimulus-Lichtreiz erfolgt bevorzugt mittels sichtbaren Lichts und wird von Lichtquellen (in diffuser Art und Weise) ausgesandt, die an einem Rahmen angeordnet sind, der eine Durchblicköffnung aufweist. Der Rahmen ist insbesondere derart ausgebildet und positioniert, dass er im nahen peripheren Gesichtsfeldes des Auges des Probanden angeordnet ist, so dass der Blick des Probanden durch den Rahmen hindurchführt.
In einer anderen Ausführungsform kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, dass das zu vermessende Auge über einen Hot-Mirror, d.h. einen für Infrarotlicht undurchlässigen, dieses reflektierenden Umlenkspiegel mit Infrarotlicht beaufschlagt wird und vom Auge/von der Pupille reflektiertes Infrarotlicht über den Hot-Mirror der Kamera, die als Infrarotlichtkamera ausgebildet ist, zugeleitet wird.
Besonders zweckmäßig ist es, für die Aufnahme der Fläche, d.h. für die Abbildung der zu vermessenden Pupille, ein Infrarotlicht zu verwenden und den Umlenkspiegel als für Infrarotlicht reflektierenden sogenannten Hot-Mirror auszubilden, der aber sichtbares Licht hindurchlässt. Hierdurch gelingt es, insbesondere in Kombination mit dem der Optik vorgelagerten Vis Cut-Filter, die Abbildung des Auges durch die Kamera unbeeinflusst von den sichtbaren Lichtreizen (zum einen dem Stimulus-Lichtreiz und zum anderen dem Akkommodations-Lichtreiz) zu lassen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass aus einem erhaltenen Abbild des zu vermessenden Auges zur Auswertung ein bestimmter Bereich ROI (ROI, Region of Interest) ausgewählt wird, welcher die zu vermessende Pupille enthält.
Zur Erhöhung der Auswerteleistung einer nachgeschalteten Auswerteeinheit ist es zweckmäßig, aus den erhaltenen Bilddaten einen Bereich besonderen Interesses (ROI) auszuwählen, wobei dieser die Pupille enthält. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass ein Lichtreflex des ausgesendeten Infrarotlichts der Infrarotlichtquelle, der sich auf der Hornhaut bzw. innerhalb des Bereichs der Pupille spiegelt, als Zentrum des ROI verwendet wird.
Hierdurch können die zu verarbeitenden Bilddatenmengen reduziert werden und eine höhere Framerate bzw. eine kürzere Zeitdauer zwischen einzelnen Aufnahmen der Pupille verwirklicht werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Schärfe des bestimmten Bereichs (ROI) algorithmisch über ein Kontrastkriterium ermittelt wird und das Abbild und somit die sich hieraus ergebende Messung zur weiteren Auswertung freigegeben wird, wenn ein Mindestmaß an Schärfe vorliegt. Der Mittelpunkt des bestimmten Bereichs (ROI) wird zweckmäßiger Weise anhand einer Infrarotreflektion in der Pupille ermittelt. Im Mittelpunkt des bestimmten Bereichs (ROI) wird algorithmisch, z.B. über ein Kontrastkriterium die Schärfe ermittelt und das Abbild und somit die sich hieraus ergebende Messung zur weiteren Auswertung freigegeben, wenn ein Mindestmaß an Schärfe des Abbildes vorliegt. Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Abbilder erstellt wird und aus der Mehrzahl der Abbilder mehrere Messungen extrahiert werden.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Mehrzahl, insbesondere aus einer Anzahl von 3 bis 7, bevorzugt 5 Abbildern die Messwerte zur Bestimmung einer Ausgangs-Pupille ermittelt werden.
Zur Bestimmung einer Ausgangsgröße einer Pupille (Ausgangspupille) ist es zur Erhöhung der Genauigkeit besonders sinnvoll, eine Mehrzahl von Abbildern zu verwenden, die aufgenommen werden, bevor der Stimulus-Lichtreiz ausgesandt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass mittels des Stimulus-Lichtreizes unterschiedliche Retinahemisphären zeitlich aufeinanderfolgend oder unabhängig voneinander angeregt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Stimulus-Lichtreiz an einen Hippus-Rhythmus des zu vermessenden Auges angepasst sein. Hierdurch kann die Auswirkung des Stimulus-Lichtreizes auf eine Kontraktion der Pupille besser abgeschätzt bzw. ermittelt werden. Dies gelingt deshalb, weil bei einer Abstimmung des Stimulus-Lichtreizes z.B. zu einem Zeitpunkt, an dem sich aufgrund des Hippus-Rhythmus die Pupille gerade zusammenzieht, und bei Beachtung dieses Zusammenhangs in nachfolgenden Messungen, die erhaltenen Messergebnisse reproduzierbarer sind. Würde beispielsweise der Zeitpunkt des Stimulus-Lichtreizes nicht an einen Hippus-Rhythmus angepasst sein, so könnte der Stimulus-Lichtreiz einmal in eine Kontraktionsphase und einmal in eine Expansionsphase der Pupille aufgrund des Hippus-Rhythmus zu liegen kommen, was die Messungen weniger reproduzierbar macht.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die Messung, d.h. die Aussendung des Stimulus-Lichtreizes, durch den Probanden selbst ausgelöst wird.
Es konnte ebenfalls erkannt werden, dass die Messreihen und die aufgenommenen Bilder während der Messdauer besser verwertbar sind bzw. die Anzahl der verwertbaren Bilder größer ist, wenn die Aussendung des Stimulus-Lichtreizes durch den Probanden selbst erfolgt. Hierdurch ist die Wahrscheinlichkeit niedriger, dass der Proband blinzelt, weil er selbst den Lichtreiz auslöst. Es konnte festgestellt werden, dass ein Blinzeln die Vermessung der Pupille deutlich erschwert bzw. sogar unbrauchbar macht. Dies wird durch diese Maßnahme vermieden.
Vorteilhafterweise werden beide Augen des Probanden synchron unter Infrarotbeleuchtung vermessen, wobei eine einseitige Anregung durch einen sichtbaren Stimulus-Lichtreiz erfolgt. Mit dieser Maßnahme gelingt es, sowohl den direkten Pupillenlichtreflex wie auch die indirekte Pupillenreaktion des nicht stimulierten Auges zu ermitteln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass eine Reflexion von Infrarotlicht, ausgesandt durch die Infrarotquellen, derart erfolgt, dass sie innerhalb der Pupille liegt, wobei insbesondere die Reflexion zur Bestimmung des bestimmten Bereichs (ROI) verwendet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zur Erhöhung einer Framerate die Empfindlichkeit der Kamera angepasst wird, wobei die Intensität der Infrarotbeleuchtung gleichbleibt.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Schärfentiefe (ts) der Kamera, welche sich nach der Formel: $t s = 2 * Z * k * \frac{β + 1}{β^{z}}$
berechnet, wobei Z der maximal zulässige Schärfekreis ist, d.h. eine Sensordiagonale: 1500, z.B. 6,24 mm : 1500, d.h. z.B. 0,00416 ist, k die Blende, z.B. 2,0 ist und β der Abbildungsmaßstab ist, welcher ein Quotient aus einer Bildbreite zu einer Gegenstandsbreite ist, z.B. 4,995 mm : 32,437 mm, d.h. z.B. 0,154 mm ist. Eine geringe Schärfentiefe ist vorteilhaft und zwingt zu einer genauen Fokussierung, da bereits eine geringe Änderung des optischen Abstandes zwischen abzubildendem Objekt und Abbildungsebene der Kamera zu einer wahrnehmbaren Unschärfe führen würde. Hierdurch kann der Abbildungsmaßstab bei konstanter Schärfe gleichgehalten werden, und absolute Größen können zuverlässig und genau ermittelt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet und ausgebildet ist.
Die Vorrichtung weist gemäß dem zweiten Aspekt Einrichtungen zum Verändern des optischen Abstandes zwischen der Abbildungsebene der Kamera und dem aufzunehmenden Objekt, d.h. der abzubildenden Pupille des Probanden, auf.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die Kamera als infrarotlichtempfindliche Kamera und insbesondere als Fix-Fokus-Kamera ausgebildet ist.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass eine Infrarotlichtquelle benachbart zur Kamera angeordnet ist. Hierdurch gelingt es, einen gemeinsamen bzw. nahezu gemeinsamen Strahlenverlauf von der Infrarotlichtquelle zum abzubildenden Objekt und des reflektierten Infrarotlichts vom abzubildenden Objekt zur Kamera herzustellen, wobei die Strahlenverläufe nicht hundertprozentig übereinstimmen sollten, um gegebenenfalls einen „rote-Augen“-Effekt zu vermeiden. Eine näherungsweise gleichverlaufende Strahlführung ist jedoch vorteilhaft.
In einer anderen Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass im Blickvektor des Probanden ein für Infrarotlicht undurchlässiger, für sichtbares Licht jedoch durchlässiger Umlenkspiegel (Hot-Mirror) angeordnet ist, welcher das von der Infrarotlichtquelle ausgesandte Infrarotlicht zum zu vermessenden Auge umlenkt und vom Auge reflektiertes Infrarotlicht zur Kamera umlenkt.
In besonderer Art und Weise eignet sich ein Hot-Mirror, um den Infrarotlichtstrahlenverlauf von einem Strahlenverlauf von sichtbarem Licht zu trennen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform können entlang des Blickvektors des Probanden hinter dem Hot-Mirror eine Fixationslichtquelle und eine Optik angeordnet sein, mittels der die Fixationslichtquelle subjektiv in eine Entfernung, insbesondere in eine Entfernung zwischen 1 m und Unendlich, bevorzugt 2,5 m bis Unendlich projiziert wird.
Insbesondere konnte festgestellt werden, dass bei einer absolut gesehen zwar nah angeordneten Fixationslichtquelle, die jedoch optisch in die Ferne projiziert ist, der Hippus, d.h. eine personenindividuell auftretende im Wesentlichen sinusartige Größenänderung der Pupille, deutlich abgeschwächt werden kann. Deswegen ist es sinnvoll, beispielsweise mittels einer Sammellinse eine relativ nah am zu vermessenden Auge angeordnete Fixationslichtquelle optisch, d.h. subjektiv für den Probanden, in die Ferne zu projizieren. Hierbei hat sich insbesondere der oben angegebene subjektive Mindestabstandsbereich von wenigstens 1 m, bevorzugt 2,5 m, weiter bevorzugt das Unendliche, bewährt.
In einer besonderen Ausführungsform ist zwischen dem Auge des Probanden und dem Hot-Mirror ein Rahmen als Beleuchtungseinheit angeordnet, welche rahmenartig ausgebildet ist und Lichtquellen für sichtbares Licht aufweist, die zur Aussendung des wenigstens einen Stimulus-Reizes geeignet sind.
In besonderer Art und Weise eignet sich die Anordnung einer diffusen Lichtquelle zwischen dem Hot-Mirror und dem Auge des Probanden, also sehr nahe am Auge des Probanden, dadurch, dass das ausgesandte diffuse Licht des Stimulus-Reizes im nahen peripheren Gesichtsfeldes des zu vermessenden Auges liegt.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass die Kamera, die Infrarotlichtquelle und der Hot-Mirror als eine Einheit in einer Richtung entlang des Blickvektors, insbesondere parallel oder im Wesentlichen parallel zum Blickvektor des Probanden, insbesondere individuell für jedes Auge des Probanden verschiebbar antreibbar ist.
Mit obiger Maßnahme gelingt es insbesondere vorrichtungsmäßig einen festen Abbildungsmaßstab zu realisieren, der eine absolute Größenbestimmung der aufgenommenen Strecken und Längen am Abbild ohne das Vorhandensein einer Referenzaufnahme des jeweiligen Probanden erlaubt.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Vorrichtungen zu einer mobilen Messstation nach Art einer VR-Brille zusammengefasst.
Insbesondere für mobile Anwendungen ist es sinnvoll, die oben beschriebenen Messanordnungen in einem mobilen, d.h. tragbaren Gehäuse, unterzubringen, welches der Proband nach Art einer VR-Brille tragen kann.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass ein Strahlenverlauf des von der Infrarotlichtquelle abgestrahlten Lichtes unterschiedlich zum Strahlenverlauf des reflektierten Lichts in die Kamera ist, sich insbesondere um einen Winkel α unterscheidet.
Zur Vermeidung des „rote-Augen“-Effekts macht es Sinn, die Strahlenläufe des von der Infrarotlichtquelle abgestrahlten Lichts und den Strahlenverlauf des reflektierten Infrarotlichts um einen Winkel α unterschiedlich zu gestalten, wobei der Winkel α bevorzugt größer als 5°, insbesondere größer als 10° ist. Hierdurch gelingt es, den „rote-Augen“-Effektsicher zu vermeiden.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass die rahmenartige Beleuchtungseinheit und/oder die in der rahmenartigen Beleuchtungseinheit vorgesehenen Lichtquellen derart angeordnet sind, dass ein Mittenbereich zwischen Projektionen der Stimulus-Lichtreize auf die Fovea des zu untersuchenden Auges trifft.
In einer anderen Ausführungsform kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, dass die Kamera eine Schärfentiefe (ts) von weniger als 1/15, insbesondere weniger als 1/20 der Gegenstandsweite (g) aufweist, wobei die Schärfentiefe (ts) nach der Formel $t s = 2 * Z * k * \frac{β + 1}{β^{z}}$
berechnet wird, wobei Z der maximal zulässige Schärfekreis ist, d.h. eine Sensordiagonale: 1500, z.B. 6,24 mm : 1500, d.h. z.B. 0,00416 ist, k die Blende, z.B. 2,0 ist und β der Abbildungsmaßstab ist, welcher ein Quotient aus einer Bildbreite zu einer Gegenstandsbreite ist, z.B. 4,995 mm : 32,437 mm, d.h. z.B. 0,154 mm ist. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1a: eine schematische Teil-Funktionsansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens in einer ersten Betriebsstellung (kurzer Abstand des Auges);
1b: eine schematische Teil-Funktionsansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens in einer zweiten Betriebsstellung (langer Abstand des Auges);
2a: eine schematische Funktionsansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens in einer ersten Betriebsstellung zusätzlich aufweisend eine Infrarotlichtquelle;
2b: eine schematische Funktionsansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens in einer ersten Betriebsstellung in einer Draufsicht mit einer Lichtquelle zur Fernakkommodation;
2c: eine schematische perspektivische Darstellung einer binokularen Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens;
2d: eine schematische Ansicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung (transparente Darstellung) aus einer Blickrichtung des Probanden;
3: eine Aufnahme der Augen eines Probanden und eine Abgrenzung eines Bereichs von besonderem Interesse (ROI);
4: einen Graph, der einen Zusammenhang zwischen einer Pupillenfläche und einer Stimulusintensität angibt;
5: einen Graph eines Pupillendurchmessers über der Zeit mit einer durchgeführten Fernakkommodation (obere Kurve) und ohne einer durchgeführten Fernakkommodation, d.h. einer Nahakkommodation (untere Kurve);
6: eine schematische Darstellung einer Stimulation beider Retinahemisphären, wobei eine Grenze zwischen den Retinahemisphären bei der Fovea liegt, welche die Retina in eine nasale und eine temporale Retinahemisphäre trennt;
7: schematisch eine Bestrahlungsverteilung eines Teilbereichs der nasalen wie auch eines Teilbereichs der temporalen Retina

Die 1a, 1b zeigen je eine schematische Teilfunktionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei 1a eine erste Betriebsstellung zeigt, bei der sich ein Auge 2 gegenüber der Darstellung in 1b in einer zur Vorrichtung 1 unterschiedlichen Position befindet.
Die Vorrichtung 1 ist als Pupillometriegerät ausgebildet und ist insbesondere in einem Gehäuse 3 angeordnet, welches nach Art einer VR-Brille vom Probanden tragbar ist.
Die Vorrichtung 1 weist eine Kamera 4 auf, welche einen Fotosensor besitzt, der eine Abbildungsebene 5 bildet. Die Kamera 4 besitzt ein Objektiv 6, welches in einer bevorzugten Ausführungsform als Fix-Fokus Objektiv, d.h. als Objektiv mit einer festen Schärfeeinstellung (und/oder mit einer festen Brennweiteneinstellung) ausgebildet ist.
Die Kamera 4 ist an einem Träger 7 befestigt, welcher auch einen Umlenkspiegel 8 trägt. Der Umlenkspiegel 8 ist als ein sogenannter „Hot-Mirror“ ausgebildet. Ein Hot-Mirror zeichnet sich dadurch aus, dass er Licht, welches im Infrarotbereich liegt, also eine Wellenlänge hat, die länger ist als für menschliches Auge sichtbares Licht, reflektiert und sichtbares Licht hindurch lässt. Der Träger 7 zusammen mit der Kamera 4 und dem Umlenkspiegel 8 sind entlang einer Verschieberichtung 9 innerhalb des Gehäuses 3 relativ zum Gehäuse 3 antreibbar verschieblich angeordnet. Die Verschieberichtung 9 ist dabei bevorzugt parallel zu einem Blickvektor 10, in dessen Richtung das Auge 2 des Probanden blickt.
Entlang des Blickvektors 10 befindet sich ausgehend vom Auge 2 innerhalb des Gehäuses 3 ein Rahmen 11, der - wie weiter unten beschrieben werden wird - Träger von Beleuchtungseinheiten (nicht gezeigt in 1a und 1b) ist, wobei die Beleuchtungseinheiten sichtbares Licht aussenden können und zum Zwecke der Aufbringung eines Stimulus-Lichtreizes betätigt werden.
Auf den Rahmen 11 folgend sitzt zwischen einer Sammellinse 12 und dem Rahmen 11 der Umlenkspiegel 8, der bevorzugt einen Winkel von 45° zum Blickvektor 10 einschließt. Ein derartiger Winkel ist allerdings konstruktiv ohne Weiteres auch auf ein anderes Maß bringbar. Insbesondere handelt es sich um einen sogenannten 45° AOI (angle of incidence; d.h. Einfallswinkel) Hot-Mirror, bei dem das Infrarotlicht in einem Winkel von 45° auf den Spiegel treffen soll. Die winkelmäßige Position des Umlenkspiegels 8 bestimmt die Ablenkung von Infrarotlichtstrahlen aus dem nahen peripheren Gesichtsfeld des Probanden, wie weiter unten beschrieben werden wird, und ist nicht auf den Wert 45° beschränkt.
Die Sammellinse 12 ist stark schematisiert in den 1a und 1b dargestellt und steht für eine Projektionsoptik, die eine sich hinter der Sammellinse 12 befindliche Fixationslichtquelle 13 subjektiv für den Probanden als „weiter entfernt“ erscheinen lässt. Eine solche „Projektion in die Ferne“ dient zur Fernakkommodation des Auges 2 des Probanden. Hinsichtlich einer kompakten Bauweise ist jedoch die Fixationslichtquelle 13 absolut gesehen nicht weit entfernt vom Auge 2 sondern befindet sich innerhalb des Gehäuses 3. Die optischen Eigenschaften der Sammellinse 12 bzw. der Projektionsoptik sind derart ausgelegt, dass die subjektiv empfundene Entfernung der Fixationslichtquelle 13 vom Auge 2 wenigstens 1 m, bevorzugt wenigstens 2,5 m, insbesondere 3 m oder mehr beträgt.
1b zeigt den Aufbau gemäß 1a mit einem in der Darstellung nach links entlang der Verschieberichtung 9 verschobenen Träger 7, der hierdurch zusammen mit der Kamera 4 und dem Umlenkspiegel 8 im Vergleich zu einer Betriebsstellung gemäß 1a näher zum Rahmen 11 gerückt ist. In der Situation gemäß 1b befindet sich dementsprechend das Auge 2 des Probanden in einer größeren Entfernung vom Rahmen 11 als in der Situation gemäß 1a. Derartige Variationen des Abstandes zwischen Auge 2 und Rahmen 11 können ohne Weiteres durch unterschiedliche Gesichtsformen verschiedener Probanden auftreten. Als eine Fixationslichtquelle kommt erfindungsgemäß eine Lichtquelle in Frage, die der Fernakkommodation und der Fixation, d.h. der Festlegung des Blickes des Probanden dient, wodurch sichergestellt wird, dass der Lichtstimulus auf den korrekten Retinabereich trifft.
Ein optischer Weg/Abstand zwischen der Abbildungsebene 5 und beispielsweise einer Pupille 14 des Auges 2 setzt sich somit aus einem ersten Ast 15a von der Pupille 14 bis zum Umlenkspiegel 8 und einem zweiten Ast 15b vom Umlenkspiegel 8 bis zur Abbildungsebene 5 zusammen. Ein Maß für die Verschiebung des Trägers 7 entlang der Verschieberichtung 9 wird derart gewählt, dass je nach Abstand der Pupille 14 vom Rahmen 11 oder einer anderen Bezugskante/Bezugseinrichtung der Vorrichtung 1, die Gesamtstrecke aus dem ersten Ast 15a und dem zweiten Ast 15b konstant ist, damit, da das Objektiv 6 ein Fix-Fokus-Objektiv ist, welches zudem eine geringe Brennweite hat, also einen geringen Schärfentiefenbereich aufweist, ein scharfes Abbildung der Pupille 14 bzw. des Auges 2 auf der Abbildungsebene 5 erzeugbar ist.
Alternativ zu einer Verschiebung des Trägers 7 parallel zu einer Richtung eines Blickvektors 10 zusammen mit dem Umlenkspiegel 8 und der Kamera 4, kann das Konstant halten des optischen Weges (erster Ast 15a + zweiter Ast 15b) sinnvoll sein, in dem die Kamera 4 entlang einer Vertikalen in der Darstellung gemäß 1a und 1b, d.h. entlang der Richtung des zweiten Astes 15b, relativ zum Träger 7 verschoben wird, um so eine Fokussierung des Auges 2 bzw. der Pupille 14 zu erreichen. Wesentlich ist, dass die optische Länge/der optische Weg aus dem ersten Ast 15a und dem zweiten Ast 15b auf das Objektiv 6 abgestimmt konstant einstellbar ist.
Die Fixationslichtquelle13 ist eine relativ schwache Lichtquelle und sendet sichtbares Licht aus. Die Fixationslichtquelle 13 ist beispielsweise als schwach leuchtende LED ausgebildet. Das Licht der Fixationslichtquelle 13 wird durch die Sammellinse 12 zum Auge 2 projiziert und durchdringt, da es sich um sichtbares Licht handelt, den Umlenkspiegel 8 ohne oder unwesentlichen Verlusten, so dass das Auge 2 in der Lage ist, die Fixationslichtquelle 13 zu sehen. Dies gelingt auch deswegen, weil der Rahmen 11 entlang des Blickvektors 10 eine Öffnung aufweist, durch die das Auge 2 hindurchblicken kann.
Zum Erreichen einer Abbildung der Pupille 14 bzw. des Auges 2 mittels der Kamera 4 ist die Kamera 4 besonders bevorzugt als infrarotlichtempfindliche Kamera ausgebildet, die in der Lage ist, Infrarotlicht, das entlang des ersten Astes 15a und des zweiten Astes 15b auf die Abbildungsebene 5 gelangt, aufzunehmen. Das Infrarotlicht wird durch den Umlenkspiegel 8 nahezu vollständig reflektiert, so dass das Infrarotlicht aus der Richtung des Blickvektors 10 des Probanden ausgeleitet wird. Zur Erzeugung von Infrarotlicht, welches zum Erzeugen des Abbilds des Auges 2 bzw. der Pupille 14 genutzt wird, wird auf nachfolgende Beschreibung in Bezug auf die 2a verwiesen.
Aus 2a geht ein Aufbau gemäß 1a/1b hervor, wobei zusätzlich eine Infrarotlichtquelle 16 dargestellt ist, die im Beispiel gemäß 2a über die Kamera 4 mit dem Träger 7 gekoppelt ist und mit diesem entlang der Verschieberichtung 9 bewegbar ist. Die Infrarotlichtquelle 16 sendet Infrarotlicht entlang eines ersten Astes 16a aus. Das Infrarotlicht des ersten Astes 16a trifft auf den Umlenkspiegel 8 und wird nahezu vollständig reflektiert und trifft in Form eines zweiten Astes 16b auf das abzubildende Auge 2 bzw. die abzubildende Pupille 14 auf.
Es ist dabei dafür gesorgt, dass der Strahlengang gebildet durch den ersten Ast 16a und den zweiten Ast 16b des ausgesendeten Infrarotlichts nicht mit dem ersten Ast 15a und dem zweiten Ast 15b des vom Auge 2 reflektierten Infrarotlichts zusammenfällt, sondern diese Strahlengänge insbesondere zwischen dem ersten Ast 15a und dem zweiten Ast 16b einen Winkel α einschließen, wobei der Winkel α bevorzugt größer als 5°, weiter bevorzugt größer als 10° ist und nach oben hin durch die örtlichen Gegebenheiten innerhalb des Gehäuses 3 beschränkt ist. Wesentlich ist, dass der Winkel α eine gewisse Mindestgröße hat, um den „rote-Augen“-Effektzu vermeiden, der dann auftritt, wenn ein Beleuchtungsstrahl und ein Abbildungsstrahl nahezu deckungsgleich verlaufen.
In 2b ist eine Vorrichtung 1 gemäß der 1a, 1b und 2a gezeigt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Träger 7, die Kamera 4 und die Infrarotlichtquelle 16 in der Zeichnung weggelassen sind. Sichtbar ist die Fixationslichtquelle 13, die Sammellinse 12, der Umlenkspiegel 8 und der Rahmen 11.
Für beide Augen 2 eines Probanden ist jeweils ein vorbeschriebener Aufbau innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet, wobei in der Ausführungsform gemäß 2a lediglich einem Auge 2 des Probanden ein Rahmen 11 mit den - noch zu beschreibenden - Stimulus-Lichtquellen 18 zugeordnet ist. Das andere Auge 2 bleibt mit einer Vorrichtung gemäß 2b ungereizt, kann jedoch vermessen werden.
2c zeigt die Anordnung gemäß 2b in einer perspektivisch transparenten Darstellung, wobei jeweils die Infrarotlichtquellen 16 und die Kameras 4 dargestellt sind. In der Darstellung gemäß 2c wird deutlich, dass der Rahmen 11 eine Durchblicköffnung 17 besitzt, durch die das Auge 2 des Probanden hindurchblicken kann. Dem Auge 2 des Probanden zugewandt sitzen im Beispiel gemäß 2c an seitlichen Rahmensäulen Stimulus-Lichtquellen 18, welche in der Lage sind, diffuses sichtbares Licht auszusenden.
In der Darstellung gemäß 2 fehlen die Fixationslichtquellen 13 wie auch die Sammellinse 12, die jedoch vorhanden sind, um eine Fernakkommodation der zu messenden Augen 2 durchzuführen.
Der Träger 7 ist in der Verschieberichtung 9 entlang einer Schiene 19 beispielsweise mittels eines Schrittmotors 20 verfahrbar, so dass - wie oben beschrieben - die Fokussierung gelingt.
2d zeigt die Anordnung gemäß 2c in einer Darstellung mit Blickrichtung parallel und gleichgerichtet zum Blickvektor 10.
Die oben beschriebene Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung 1 ist es möglich, einen vom Auge 2 des Probanden unabhängigen Abbildungsmaßstab vorrichtungsspezifisch zu ermitteln, so dass durch die Verwendung einer Fix-Fokussierung (Fix-Fokuskamera) und die Verwendung einer großen Blende, d.h. einer geringen Schärfentiefe bei einer Scharfstellung des Bildes eine absolute Größenmessung von Strecken anhand des aufgenommenen Bildes möglich ist.
3 zeigt eine Aufnahme, welche mit einer vorbeschriebenen Vorrichtung 1 getätigt wurde. Deutlich erkennbar ist die Abbildung zweier Augen 2 eines Probanden sowie deren Pupillen 14. Die Aufnahme wurde unter Infrarotlicht durchgeführt, wobei eine Lichtreflexion 21 innerhalb der Pupille 14 als Mittelpunkt für die Auswahl eines bestimmten Bereichs 22 verwendet wird. Der bestimmte Bereich 22 (Region of Interest, ROI) ist dabei derart gewählt, dass er die Pupille 14, die um die Reflexion 21 herum abgebildet ist, vollständig umfasst. Andererseits ist der bestimmte Bereich 22 derart klein gewählt, dass uninteressante Bereich, wie z.B. Wimpern oder weiter außenliegende Bereiche der Iris, nicht enthalten sind.
Der bestimmte Bereich 22 ist dabei hinsichtlich seiner Größe derart gewählt, dass aller Erfahrung nach eine größtmögliche Pupille 14 des zu vermessenden Auges 2 im bestimmten Bereich 22 (ROI) zu liegen kommt.
4 zeigt einen Graph 30, welcher einen Verlauf einer Pupillenfläche, die z.B. in 3 mit 16,1 mm² angegeben ist, über einer Intensität in Prozent des anzuwendenden Stimulus-Reizes (relativ zum maximalen Stimulus-Reiz) zeigt. Das in der 4 obere Auge 2 besitzt eine große Pupille 14, d.h. eine Pupille 14 mit großer Fläche A1. Aufgrund des Graphes 30 ergibt sich somit in diesem Beispiel eine Stimulus-Intensität von etwas mehr als 45 % (11). Die Lichtmenge, die durch eine derart große Pupille auf die Retina des Auges 2 gelangen kann, ist mit entsprechend niedrigerer Stimulus-Intensität ausreichend.
Als zweites Beispiel ist das untere Auge 2 mit einer wesentlich kleineren Pupille 14 angegeben, welche lediglich eine Fläche A2 < A1 aufweist. Entlang des Graphen 30 gibt sich für eine derartige Pupillenfläche eine ideale Stimulus-Intensität von etwa 85 % (12). Hierdurch wird sichergestellt, dass unabhängig von einer Ausgangspupillenfläche oder einer sich während des Versuches ändernden Pupillenfläche eine konstante Lichtmenge pro Stimulus-Ereignis auf die Retina trifft.
5 zeigt zwei Pupillendurchmesserverläufe in Millimetern über der Zeit in Sekunden, wobei der Pupillendurchmesser d des oberen Verlaufes bei einer Fernakkommodation von ca. 3 m aufgenommen und dargestellt wird und der Pupillendurchmesser d des unteren Verlaufes bei einer Nahakkommodation von ca. 0,2 m aufgenommen und dargestellt wird.
Es fällt grundsätzlich auf, dass bei einer Fernakkommodation von ca. 3 m (obere Verlauf) der Pupillendurchmesser insgesamt größer ist als bei einer Nahakkommodation.
Des Weiteren fällt auf, dass die Schwankungsbreite des Pupillendurchmessers d über der Zeit bei einer Fernakkommodation (oberer Verlauf) deutlich geringer ist als bei einer Nahakkommodation.
Aus obiger Darstellung ergibt sich, dass für die Zwecke einer Pupillenlichtreflexanalyse, bei der eine Pupillenfläche über die Zeit gemessen werden soll, eine Fernakkommodation des zu vermessenden Auges 2 deutlich vorteilhafter ist, da der Hippus bzw. die Schwankungen des Hippus über die Zeit in einem solchen Fall wesentlich geringer sind und somit der Einfluss eines Stimulus-Lichtreflexes klarer zum Vorschein kommt.
Der Hippus bzw. die Schwankungen des Hippus ist personen- d.h. probandenindividuell und meistens sinusförmig. Beispielsweise überlagern sich hierzu mehrere sinusförmige Schwingungen. Beispielsweise schwingt die Pupille 14 mit einer relativ schnellen Frequenz von 1 Hz um wenigstens eine weitere langwelligere Frequenz. Derartige Sinusschwingungen werden dabei deutlich unregelmäßiger bei einer Nahakkommodation und sind somit ungeeigneter für einen an dem Hippus angepassten Start des Lichtreizes. Dies wird insbesondere in 5 deutlich, wenn man am oberen Graphen die Überlagerung der kurzwelligeren Schwingung 1 mit der langwelligeren Schwingung 2 im Vergleich zur Überlagerung der kurzwelligeren Schwingung 1 mit der langwelligeren Schwingung 2 des unteren Graphen betrachtet.
Auf der Basis obiger Erkenntnisse nutzt daher die Erfindung die vorbeschriebene Fixationslichtquelle 13 im Zusammenspiel mit der Sammellinse 12 bzw. der entsprechenden Projektionsoptik dahingehend, dass die Fixationslichtquelle 13 für den Probanden subjektiv in der Ferne, d.h. mindestens in 1 m Entfernung, bevorzugt mindestens in 2,5 m, 3 m oder mehr, liegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ermöglicht die Fixation des Blickes des Probanden auf die Fixationslichtquelle 13 im Wesentlichen dadurch, dass die bildaufzeichnende Infrarotkamera außerhalb des Blickweges liegt und das hierfür benötigte Licht mittels eines Umlenkspiegels 8 aus dem Blickweg des Probanden ausgekoppelt wird und die Stimulus-Lichtquelle 18 eine Durchblicköffnung 17 besitzt, so dass ein freier Blick des Probanden durch den Rahmen 11 der Stimulus-Lichtquelle 18, durch den Umlenkspiegel 8 (Hot-Mirror, durchlässig für sichtbares Licht) und die Sammellinse 12 auf die Fixaktionslichtquelle 13 besteht.
6 zeigt eine bevorzugte Anordnung der Stimulus-Lichtquellen 18 relativ zum Auge 2 des Probanden.
Die Stimulus-Lichtquellen 18 sind an den senkrechten Trägern des Rahmens 11 angeordnet und in einem Bereich angeordnet, der ca. 70 mm von der zu vermessenden Pupille 14 bei einem Abstand der Stimulus-Lichtquellen 18 zueinander von minimal 43 mm bis maximal 60 mm entfernt ist, so dass sich ein Bestrahlungslichtfeld von 34° bis 46° ergibt. Die Grenzen zwischen dem nicht ausgeleuchteten 34°-Feld und dem Beleuchtungsfeld durch die Stimulus-Lichtquellen 18 sind dabei derart gelegt, dass sie auf einer nasalen Seite des Auges 2 bzw. der Retina in etwa mit dem blinden Fleck der Retina zusammentreffen und eine Mittelachse des projizierten Feldes innerhalb des Augapfels in etwa auf die Fovea trifft. Hierdurch gelingt es, einen Bereich mit maximaler Zapfenzellenanzahl (die für das scharfe Sehen verantwortlich sind) zum Auftreffpunkt einer gedachten Mittelachse zu machen.
Zweckmäßigerweise ist der Seitenabstand (43/60 mm) und der Abstand in Blickrichtung (70 mm) bei diesem Beispiel so gewählt, dass die Retina des zu vermessenden Auges in einem Bereich von +/- 20° um die Fovea herum beleuchtet wird. In diesem Bereich ist die größte Dichte der Stäbchenzellen der Retina angeordnet, die unter anderem für die Auslösung des Pupillenlichtreflexes verantwortlich sind. Die obigen, in Millimeter angegebenen Bereiche sind ein Beispiel und können je nach grundsätzlicher Anordnung und Abstrahlwinkel der Stimulus-Lichtquellen 18 selbstverständlich variieren. Wesentlich ist, dass eine bevorzugte Bestrahlung der Retina derart erfolgt, dass projizierte Lichtkegel, ausgesandt von den Stimulus-Lichtquellen 18, die diffus strahlen, in einem Bereich hoher bis maximaler Stäbchendichte auf die Retina treffen und ein Bereich um die Fovea herum etwa die Mittelachse des bestrahlten Bereichs trifft.
Eine derartige Anordnung zeigt 6, wobei nochmals darauf hingewiesen wird, dass die absoluten Zahlenangaben der Strecken (43 mm, 60 mm und 70 mm) wie auch der Winkel (46° und 34°) lediglich Beispiele sind und in Abhängigkeit von der zu bestrahlenden Retinafläche eingerichtet werden.
Im Folgenden wird noch auf die Position eines Fixationspunktes auf der Retina eingegangen, der durch die Fixationslichtquelle 13 erzeugt wird. Der Fixationspunkt, d.h. der Punkt, auf den das Auge blickt, soll derart gelegt sein, dass die Fixationslichtquelle 13 in etwa im Bereich der Fovea abgebildet wird. Hierdurch erfolgt dann eine Ausrichtung des menschlichen Auges 2 bzw. des Blickvektors 10 des zu vermessenden Auges 2 derart, dass die vorbeschriebene diffuse Lichteinstrahlung ebenfalls den gewünschten Retinabereich ausleuchtet. Vorrichtungsmäßig empfiehlt es sich daher, dem Fixationspunkt in einer Horizontalrichtung zwischen dem Stimulus-Lichtquellen 18 etwa mittig anzuordnen.
Im Folgenden wird der Ablauf einer Vermessung eines Auges 2 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielhaft näher erläutert:

Im Vorfeld einer Messung wird ein Abbildungsmaßstab beispielsweise in der Einheit Pixel pro Zentimeter durch die Aufnahme/Abbildung eines Maßstabs und Abzählen einer Pixelanzahl pro Längeneinheit bestimmt. Durch den vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung 1 bleibt dieser Abbildungsmaßstab konstant, da es sich bei der verwendeten Kamera 4 um eine Fix-Fokuskamera handelt. Eine Scharfstellung des abzubildenden Auges 2 erfolgt durch Verschieben der gesamten Kamera 4 derart, dass ein bestimmter optischer Abstand vom abzubildenden Objekt eingehalten wird. Durch die Verwendung eines Objektivs 6 mit sehr geringer Schärfentiefe ts kann der ideale optische Abstand (an dem scharf abgebildet wird) wiederholbar und sehr genau eingestellt werden. Nach Kenntnis des Abbildungsmaßstabes ist die Vorrichtung 1 bereit zur Durchführung einer Messung an einem Probanden.

Der Proband setzt die „Brille“, d.h. das Gehäuse 3 auf und positioniert entsprechend seine Augen 2 relativ zur Vorrichtung 1.
Mittels eines Infrarotlichts, ausgesandt von der Infrarotlichtquelle 16, folgt die Scharfstellung der Kamera 4 durch Verschieben des Trägers 7, ohne dass durch das Infrarotlicht bereits ein Stimulus-Reflex des Auges 2 bzw. der Pupille 14 ausgelöst wird. Eine Reflexion 21 des Infrarotlichtes auf der Pupille 14 wird genutzt, um einen bestimmten Bereich 22 (ROI) festzulegen, der für die weitere Bildauswertung verwendet wird.
Die Fixationslichtquelle 13 wird aktiviert, so dass die Augen 2 des Probanden dazu verleitet werden, sich auf die Fixationslichtquelle 13 zu fokussieren und hierdurch (unbewusst) der Hippus vermindert wird.
Anschließend wird zur Aufnahme der Pupille 14 ein Infrarotlicht durch die Infrarotlichtquelle 16 ausgesandt und von der Kamera 4 aufgenommen. Zur Auslösung des Pupillenlichtreflexes (PLR) wird mittels der Stimulus-Lichtquelle 18 ein diffuser Lichtreiz erzeugt, wobei sich das Licht der Stimulus-Lichtquelle 18 im Bereich des sichtbaren Lichts befindet, so, dass das menschliche Auge 2 hierauf reagiert und der Pupillenlichtreflex ausgelöst wird. Synchron mit dem Start des Lichtreizes wird während einer gewissen Zeit vor und nach der Stimulus-Lichtreizung eine Vielzahl von Aufnahmen vom zu vermessenden Auge 2 getätigt. Wesentlich ist aber, dass die erste Aufnahme der Vielzahl von Aufnahmen synchron zu dem Start des Lichtreizes, insbesondere für beide Augen, beginnt. Es wird also nach einer Stimulus-Lichtreizung nicht, obwohl dies für gegebenenfalls andere Anwendungen grundsätzlich möglich ist, eine gewisse Zeit gewartet, bis die Aufnahmen beginnen, sondern es ist besonders wichtig, die Aufnahme gleichzeitig mit oder kurz vor der Stimulus-Lichtreizung zu beginnen. Im Anschluss an diese Messung erfolgt mittels geeigneter Auswerteeinrichtungen, z.B. entsprechender Computer mit geeigneter Software, eine Auswertung der aufgenommenen Pupillenflächen hinsichtlich des Pupillenflächenverlaufs, um gewisse Biomarker, z.B. Alkohol, Drogenkonsum oder Übermüdung des Probanden, feststellen zu können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Durchführen des Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, dass die Aufnahme der Abbilder des zu vermessenden Auges 2 im Infrarotlichtbereich stattfindet und aus dem Blickwinkel des Probanden ausgekoppelt stattfindet, so dass eine Beeinflussung des Pupillenlichtreflexes (PLR) durch Licht, welches für die Aufnahme der Abbilder notwendig ist, nicht verfälscht wird. Des Weiteren ergibt die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit, eine Fernakkommodation zur Verminderung des Hippus durchzuführen, was zu einer erhöhten Messgenauigkeit führt. Zudem ist durch die Verwendung einer Fix-Fokuskamera und eines verschiebbaren Schlittens (horizontal oder vertikal, jedenfalls geeignet zur Anpassung des optischen Abstandes zwischen Abbildungsebene 5 und Pupille 14) möglich, einen konstanten Abbildungsmaßstab zu realisieren, der eine absolute Größenbestimmung der Pupille 14 des Probanden ermöglicht, ohne das im Vorfeld eine Referenzaufnahme durchgeführt werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Auge
3: Gehäuse
4: Kamera
5: Abbildungsebene
6: Objektiv
7: Träger
8: Umlenkspiegel
9: Verschieberichtung
10: Blickvektor
11: Rahmen
12: Sammellinse
13: Fixationslichtquelle
14: Pupille
15a: erster Ast
15b: zweiter Ast
16: Infrarotlichtquelle
16a: erster Ast
16b: zweiter Ast
17: Durchblicköffnung
18: Stimulus-Lichtquelle
19: Schiene
20: Schrittmotor
21: Reflexion
22: bestimmter Bereich
30: Graph
A1,A2: Flächen
l1, l2: Intensitäten
d: Pupillendurchmesser
g: Gegenstandsweite
ts: Schärfentiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0174865 A1 [0002]
DE 102018103879 A1 [0004]
US 9596986 B2 [0006]
US 2017/0354327 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche einer Pupille (14) eines Auges (2) sowie eines zeitlichen Verlaufs der Pupillenfläche aufweisend die Schritte: a) Positionieren des Auges (2) mit einer zu vermessenden Pupille (14) relativ zu einer Messvorrichtung (1), b) Aussenden wenigstens eines Stimulus-Lichtreizes zur Stimulierung eines Pupillenlichtreflexes (PLR), c) wenigstens mehrfaches Erfassen der Pupille (14) während eines vorbestimmten Zeitraumes synchron mit oder nach dem Aussenden des Stimulus-Lichtreizes, dadurch gekennzeichnet, dass d) zumindest vor und/oder während des Erfassens der Pupille (14) zum Zwecke der Fokussierung des aufzunehmenden Abbildes der Pupille (14) ein optischer Abstand zwischen der abzubildenden Pupille (14) und einer Abbildungsebene (5) einer Kamera (4) verändert wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamera (4) eine Fix-Fokuskamera verwendet wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ändern des optischen Abstandes zwischen der abzubildenden Pupille (14) und der Abbildungsebene (5) der Kamera (4) der Abstand zwischen der abzubildenden Pupille (14) und der Abbildungsebene (5) der Kamera (4) verändert wird, insbesondere durch Verschiebung der Kamera (4) zusammen mit einem Umlenkspiegel parallel oder im Wesentlichen parallel zu einem Bildvektor oder durch Änderung des Abstandes der Kamera (4) vom Umlenkspiegel (8).
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auge (2) vor und während der Vermessung der Pupille (14) eine Fernakkommodation durchgeführt wird, indem in Verlängerung des Blickvektors (10) des Probanden ein subjektiv in wenigstens 1 m, bevorzugt wenigstens 2,5 m Entfernung, insbesondere ins Unendliche projizierter Akkommodations-Lichtreiz ausgesandt wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulus-Lichtreiz entlang des Blickvektors (10) des Probanden in einem Zwischenraum zwischen der zu vermessenden Pupille (14) und dem Umlenkspiegel (8) als diffuser Stimulus-Lichtreiz ausgesandt wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aussendung des Stimulus-Lichtreizes sichtbares Licht verwendet wird, welches von einem mit einer Durchblicköffnung (17) versehenen Rahmen (11) ausgesandt wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Auge (2) über den als Hot-Mirror ausgebildeten Umlenkspiegel (8), mit Infrarotlicht beaufschlagt wird und vom Auge (2) bzw. von der Pupille (14) reflektiertes Infrarotlicht über den Umlenkspiegel (8) der Kamera (4), die als Infrarotlichtkamera ausgebildet ist, zugeleitet wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem erhaltenen Abbild des Auges (2) zur Auswertung ein bestimmter Bereich (22) ROI ausgewählt wird, welcher die zu vermessende Pupille (14) enthält.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Mittelpunkt des bestimmten Bereichs (22) (ROI) die Schärfe algorithmisch ermittelt wird und das Abbild und somit die sich hieraus ergebende Messung zur weiteren Auswertung freigegeben wird, wenn ein Mindestmaß an Schärfe des Abbildes vorliegt.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Abbilder erstellt wird und aus der Mehrzahl der Abbilder mehrere Messungen extrahiert werden.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche einer Ausgangs-Pupille vor der Messung bestimmt wird, wobei die Lichtmenge des Stimulus-Reizes an die Fläche der Ausgangs-Pupille angepasst wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stimulus-Lichtreizes unterschiedliche Retinahemisphären unabhängig voneinander oder zeitlich aufeinanderfolgend angeregt werden.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn des Stimulus-Lichtreizes an einen Hippus-Rhythmus des zu vermessenden Auges (2) angepasst ist.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussendung des Stimulus-Lichtreizes durch den Probanden selbst ausgelöst wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Augen (2) des Probanden synchron unter Infrarotbeleuchtung vermessen werden, wobei eine einseitige Anregung durch einen sichtbaren Stimulus-Lichtreiz erfolgt.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Stimulus-Lichtreizes synchron zum Beginn eines Kameraframes erfolgt.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflexion von Infrarotlicht ausgesandt durch die Infrarotquellen (16) derart erfolgt, dass sie innerhalb der Pupille (14) liegt, wobei insbesondere die Reflexion (21) zur Bestimmung des bestimmten Bereichs (22) (ROI) verwendet wird.
Verfahren zum Vermessen einer Pupillenfläche nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schärfentiefe (ts) der Kamera (4), welche sich nach der Formel: $t s = 2 * Z * k * \frac{β + 1}{β^{z}}$
berechnet, wobei - (Z) der maximal zulässige Schärfekreis ist, - (k) die Blende ist und (β) der Abbildungsmaßstab ist, welcher ein Quotient aus einer Bildbreite zu einer Gegenstandsbreite ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet und ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (4) als infrarotlichtempfindliche Kamera (4) und insbesondere als Fix-Fokus-Kamera ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Infrarotlichtquelle (16) benachbart zur Kamera (4) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Blickvektor (10) des Probanden ein für Infrarotlicht reflektierender, für sichtbares Licht jedoch durchlässiger Umlenkspiegel (8) angeordnet ist, welcher das von der Infrarotlichtquelle (16) ausgesandte Infrarotlicht zum zu vermessenden Auge (2) umlenkt und vom Auge (2) reflektiertes Infrarotlicht zur Kamera (4) umlenkt.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Blickvektors (10) des Probanden hinter dem Umlenkspiegel (8) eine Fixationslichtquelle (13) und eine Optik (12) angeordnet ist, mittels der die Fixationslichtquelle (13) in eine Entfernung, insbesondere in eine Entfernung zwischen zwei 1 m und Unendlich, bevorzugt 2,5 m bis Unendlich projiziert wird.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Optik (12) zur Anpassung an eine eventuelle Fehlsichtigkeit des Probanden veränderbar ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auge (2) des Probanden und dem Umlenkspiegel (8) eine Beleuchtungseinheit angeordnet ist, welche rahmenartig unter Bildung einer Durchblicköffnung (17) ausgebildet ist und Stimulus-Lichtquellen (18) für sichtbares Licht aufweist, die zur Aussendung des wenigstens einen Stimulus-Reizes geeignet sind.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (4), die Infrarotlichtquelle (16) und der Umlenkspiegel (8) als eine Einheit oder einzeln in einer Richtung entlang des Blickvektors (10), insbesondere parallel oder im Wesentlichen parallel zum Blickvektor (10) des Probanden, insbesondere individuell für jedes Auge (2) des Probanden verschiebbar antreibbar ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 26 zu einer mobilen Messstation nach Art einer VR-Brille zusammengefasst sind.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlenverlauf des von der Infrarotlichtquelle (16) abgestrahlten Lichtes unterschiedlich zum Strahlenverlauf des reflektierten Lichts in die Kamera (4) ist, sich insbesondere um einen Winkel α unterscheidet.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die rahmenartige Beleuchtungseinheit und/oder die in der rahmenartigen Beleuchtungseinheit vorgesehenen Stimulus-Lichtquellen (18) derart angeordnet ist/sind, dass ein Mittenbereich zwischen Projektionen der Stimulus-Lichtreize auf die Fovea des zu vermessenden Auges (2) trifft.