DE19600338A1

DE19600338A1 - Automatic photo-refractometer for use in e.g. eye tests on children

Info

Publication number: DE19600338A1
Application number: DE1996100338
Authority: DE
Inventors: Stephan Russlies
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-10

Abstract

The automatic photo-refractomer includes two cameras which photographs the subjects eyes and supplied images to a computer. The camera objective lenses are half masked up to an edge which is slightly inclined towards the other eye (see figure). Light sources are mounted on the masks to illuminate the pupils and produce a reflection which is recorded in the image. The shape and extent of the reflection is dependent on the refractive condition of the eye. An algorithm is used to determine the relative intensity of the pupil reflections.

Description

Die Erfindung ist in der Augenheilkunde einsetzbar, und zwar zur Messung der Brechkraft des Auges im Rahmen von Sehtests. Der Einsatzbereich erstreckt sich sowohl auf die Human- als auch auf die Tiermedizin. Daneben kann die Erfindung bei allen optischen Problemen betreffend die möglichst genaue Fokussierung einer Linse auf eine Ebene eingesetzt werden, ebenso zur Prüfung von Linsen, insbesondere auf Astigmatismus.The invention can be used in ophthalmology, specifically for measuring the Refractive power of the eye as part of eye tests. The area of application extends both on human and veterinary medicine. In addition, the invention in all optical problems regarding the most accurate focusing of a lens on a Level are used, as well as for testing lenses, especially for astigmatism.

Refraktometer sind als Instrumente zur Brechkraftbestimmung des Auges bekannt. Photorefraktometer sind spezielle Refraktometer, bei denen die Messung über die Auswertung eines Photos der Augen des Patienten erfolgt. Einer ihrer Vorteile liegt darin, daß sie geringe Anforderungen an die Kooperation des Patienten stellen, z. B. ist dessen Aufmerksamkeit nur für die Dauer einer Aufnahme erforderlich. Daher sind Photorefraktometer für die Untersuchung von Kleinkindern besonders geeignet.Refractometers are known as instruments for determining the refractive power of the eye. Photorefractometers are special refractometers in which the measurement is made using the Evaluation of a photo of the patient's eyes is done. One of their advantages is that they make low demands on patient cooperation, e.g. B. is its Attention only required for the duration of a recording. Therefore are Photorefractometer particularly suitable for the examination of small children.

Photorefraktometer bestehen im wesentlichen aus einer Kamera und einer kleinen Lichtquelle, die nahe am Objektiv der Kamera befestigt ist. Die Augen des Patienten werden photographiert, während sie mit der Lichtquelle beleuchtet werden (Fig. 3). Je nach dem, auf welche Entfernung ein Auge im Moment der Aufnahme fokussiert ist, ruft das von der Netzhaut zurückgestreute Licht auf dem Photo innerhalb der Pupillen einen Reflex hervor, der wegen seiner halbmondartigen Form als "Möndchen" bzw. engl. "crescent" bezeichnet wird (Fig. 4). Lage und Ausdehnung des Möndchens hängen einerseits von geometrischen Daten (z. B. Abstand Patient-Kamera, Pupillenradius) und andererseits vom Refraktionszustand des Auges ab. Dieser Zusammenhang zwischen Refraktionszustand Auges und Ausdehnung des Möndchens wird ausgenutzt, um das Refraktionsvermögen des Patienten zu bestimmen.Photorefractometers essentially consist of a camera and a small light source that is attached close to the lens of the camera. The patient's eyes are photographed while illuminated by the light source ( Fig. 3). Depending on the distance at which an eye is focused at the moment of the shot, the light scattered back from the retina causes a reflex on the photo inside the pupils, which because of its crescent-like shape is called "Möndchen" or Engl. "crescent" is referred to ( Fig. 4). The position and extent of the little girl depend on the one hand on geometric data (e.g. distance from patient to camera, pupil radius) and on the other hand on the refractive condition of the eye. This relationship between the refractive condition of the eye and the expansion of the little girl is used to determine the refractive power of the patient.

Eine Abdeckung des halben Kameraobjektivs (sog. "Knife Edge", Fig. 1-3), führt zu geradlinigen Begrenzungen der Möndchen (Fig. 5), die im Fall von Astigmatismus geneigt sind. Der mathematische Zusammenhang zwischen der Lage der Möndchengrenze und dem Refraktionszustand wurde von W. Wesemann et al. angegeben (Theory of eccentric photorefraction (photoretinoscopy): astigmatic eyes). Bei gegenwärtig eingesetzten Photorefraktometern mit dieser Anordnung wird die Lage der Begrenzung der Möndchen "per Augenmaß" bestimmt, d. h. die untersuchende Person versucht zunächst, den Hell- Dunkel-Übergang im Bild der Pupille zu identifizieren, und berechnet dann daraus den Refraktionszustand. Da es sich bei den Begrenzungen der Möndchen jedoch nicht um scharfe, sondern kontinuierliche Hell-Dunkel-Übergänge handelt, unterliegt diese subjektive Methode starken Ungenauigkeiten, insbesondere führt die je nach untersuchender Person unterschiedliche Wahrnehmung des Hell-Dunkel-Kontrastes zu systematischen Fehlern (sog. "Thresholding").Covering the half camera lens (so-called "knife edge", Fig. 1-3) leads to straight-line boundaries of the little girl ( Fig. 5), which are inclined in the case of astigmatism. The mathematical relationship between the position of the boundary of the little girl and the refractive condition was described by W. Wesemann et al. given (Theory of eccentric photorefraction (photoretinoscopy): astigmatic eyes). In the case of photorefractometers currently used with this arrangement, the position of the boundary of the little girl is determined “by eye”, ie the examining person first tries to identify the light-dark transition in the image of the pupil, and then calculates the refractive condition from this. Since the boundaries of the little girls are not sharp, but continuous light-dark transitions, this subjective method is subject to severe inaccuracies, in particular the different perception of the light-dark contrast depending on the examining person leads to systematic errors (so-called "Thresholding").

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren dahingehend zu automatisieren, daß es von der individuell unterschiedlichen Kontrastwahrnehmung der untersuchenden Personen unabhängig wird, und dadurch das Problem des Thresholding zu überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Photorefraktometer nach den Patentansprüchen 1 bis 3 gelöst.The object of the invention is to automate the process in such a way that the individually different contrast perception of the examining person becomes independent, thereby overcoming the problem of thresholding. This The object is achieved according to the invention by a photorefractometer according to patent claims 1 solved to 3.

Hierbei handelt es sich um einen Automaten, der in der Lage ist, aus der digitalisierten Aufnahme der Augen des Patienten den Refraktionszustand zu bestimmen. Dabei wird eine CCD-Kamera verwendet und über eine Frame-Grabber-Karte mit einem Computer verbunden, so daß die Bilddaten der Pupille in Form eines zweidimensionalen Datenfeldes der numerischen Auswertung zugänglich sind.This is a machine that is able to digitize from the Recording the patient's eyes to determine the refractive condition. Doing so CCD camera used and over a frame grabber card with a computer connected so that the image data of the pupil in the form of a two-dimensional data field are accessible for numerical evaluation.

Für diese Auswertung wird ein Algorithmus eingesetzt, der von bestimmten Anfangswerten für den Refraktionszustand ausgeht, anschließend fortlaufend die gemessenen mit berechneten Helligkeitswerten vergleicht und die Werte für den Refraktionszustand nach jedem Vergleich so anpaßt, daß der Grad der Übereinstimmung ständig erhöht wird. Ist eine ausreichende Übereinstimmung erreicht, so entspricht der auf diese Weise bestimmte Refraktionszustand dem tatsächlichen des Patienten und der Algorithmus bricht ab. Diese als "Anfitten" bekannte Methode funktioniert jedoch nur, wenn eine Gleichung herangezogen wird, mit der die Vergleichsoperationen hinreichend genau durchgeführt werden können. Dabei sind sowohl physikalische Eigenschaften des Auges und des Meßgeräts als auch technische Gesichtspunkte in bezug auf die Konvergenz und Genauigkeit des Verfahrens zu berücksichtigen.An algorithm is used for this evaluation, which is determined by certain Starting values for the refraction state, then continuously the compares the measured with the calculated brightness values and the values for the After each comparison, refraction state adjusts so that the degree of agreement is constantly increasing. If there is sufficient agreement, it corresponds to in this way the refractive state determined the patient's actual and the The algorithm stops. This method, known as "begging," only works if an equation is used with which the comparison operations are sufficient can be carried out exactly. Both physical properties of the Eye and the measuring device as well as technical aspects relating to the convergence and accuracy of the process to be considered.

Die erfindungsgemäß benutzte Gleichung beschreibt bei Vorgabe bestimmter geometrischer Daten und des Refraktionszustandes die Helligkeitsverteilung über die gesamte Pupille, so daß eine große Menge an Meßdaten zur Auswertung herangezogen und dadurch eine hohe Genauigkeit des Verfahrens erreicht werden kann.The equation used according to the invention describes given certain ones geometric data and the refraction state the brightness distribution over the entire pupil, so that a large amount of measurement data is used for evaluation and a high accuracy of the method can thereby be achieved.

Bei vereinfachenden Annahmen hinsichtlich des optischen Verhaltens der Augenlinse, der Netzhaut sowie der Kamera im Rahmen eines Modells auf der Grundlage der geometrischen Optik kann eine Gleichung aufgestellt werden, die die relativen Helligkeitswerte A in Abhängigkeit geometrischer Daten und des Refraktionszustandes angibt:With simplifying assumptions regarding the optical behavior of the eye lens, the Retina and the camera as part of a model based on the geometric Optics, an equation can be set up that gives the relative brightness values A in Dependency of geometric data and the state of refraction indicates:

Dabei sind e der Abstand der Lichtquelle zur Knife Edge, l die Entfernung des Auges von der Lichtquelle, r_p der Pupillenradius und x, y die Koordinaten der Pupillenpunkte.Here e is the distance of the light source to the knife edge, l the distance of the eye from the light source, r _p the pupil radius and x, y the coordinates of the pupil points.

Bei einem i.a. astigmatischen Auge muß der Refraktionszustand durch mehrere Parameter beschrieben werden: Die Fehlsichtigkeiten innerhalb der beiden Meridiane, in denen die Brennweite der Augenlinse definiert ist ("Hauptmeridiane"), in bezug auf Unendlich, d. h.With an i.a. The astigmatic eye needs to be refracted by several Parameters are described: The ametropia within the two meridians, in where the focal length of the eye lens is defined ("main meridians") with respect to Infinite, d. H.

mit s als Bulbuslänge und f_x, f_y als Brennweiten, sowie der Winkel ϕ, den der y-Hauptmeridian mit der Knife Edge einschließt. Es wird angenommen, daß die beiden Hauptmeridiane zueinander senkrecht stehen, so daß die drei Parameter δ_x, δ_y und ϕ den Refraktionszustand vollständig beschreiben.with s as the length of the globe and f _x , f _y as the focal lengths, as well as the angle ϕ that the main y-meridian forms with the knife edge. It is assumed that the two main meridians are perpendicular to each other, so that the three parameters δ _x , δ _y and ϕ completely describe the refraction state.

Um meßtechnische Gegebenheiten zu berücksichtigen, wird der Ausdruck erweitert:The expression is expanded to take account of the measurement conditions:

wobei N ein Normierungsfaktor (im Idealfall gleich 1) und R ein Term für die durch Rauschen o. ä. bedingten Störungen (im Idealfall gleich 0) ist. Die Division der Werte durch den theoretisch hellsten Wert A_max (u, v) bewirkt eine Normierung, so daß die relativen theoretischen und experimentellen Werte in vergleichbarer Größenordnung (0 I 1) liegen. Der hellste Wert wird folgendermaßen berechnet:where N is a normalization factor (ideally equal to 1) and R is a term for the interference caused by noise or the like (ideally equal to 0). The division of the values by the theoretically brightest value A _max (u, v) results in a normalization so that the relative theoretical and experimental values are of a comparable order of magnitude ( 0 I 1). The brightest value is calculated as follows:

Daß die Gleichung für die Helligkeitswerte I für die Automatisierung des Verfahrens im Rahmen eines Fit-Algorithmus′ geeignet ist, wurde aus experimentellen Ergebnissen geschlossen. Die angefitteten Größen sind dabei u und v, die den Refraktionszustand enthalten, sowie N und R. Die Meßergebnisse für u und v sind um so zuverlässiger, je dichter N und R bei ihren Idealwerten liegen.That the equation for the brightness values I for the automation of the process in A fit algorithm 'was suitable, was based on experimental results closed. The fit sizes are u and v, which are the refraction state included, as well as N and R. The measurement results for u and v are the more reliable, ever denser N and R are at their ideal values.

Aus den bisherigen Ausführungen ergibt sich, daß die drei Parameter δ_x, δ_y und ϕ nur innerhalb der beiden Größen u = δ_x cos² ϕ + δ_y sin² ϕ und v = sin ϕcosϕ (δ_x - δ_y) bestimmt werden können. Also ist der Refraktionszustand aus einer einzigen Aufnahme in der Knife Edge-Anordnung nicht eindeutig bestimmbar. Vielmehr sind zwei Messungen mit zueinander um einen bestimmten Winkel verdrehter Knife Edge erforderlich. Zeitlich versetzte Messungen, zwischen denen die Knife Edge verdreht wird, haben den Nachteil, daß die Meßwerte unbrauchbar werden, wenn sich der Refraktionszustand des Auges zwischen den Messungen durch Akkomodation ändert.From the previous statements it follows that the three parameters δ _x , δ _y and ϕ can only be determined within the two quantities u = δ _x cos² ϕ + δ _y sin² ϕ and v = sin ϕcosϕ (δ _x - δ _y ). The refraction state cannot therefore be clearly determined from a single image in the knife edge arrangement. Rather, two measurements with a knife edge rotated relative to one another are required. Temporary measurements, between which the knife edge is rotated, have the disadvantage that the measured values become unusable if the refractive condition of the eye changes between measurements due to accommodation.

Aus diesem Grund wird in einer bevorzugten Variante der Erfindung eine Anordnung mit zwei Kameras und festen, zueinander geneigten Knife Edges verwendet (Fig. 1), so daß gleichzeitig oder in schneller Folge photographiert werden kann und o.g. Nachteil überwunden wird. Mit dieser Anordnung werden vier Parameter u₁ (δ_x, δ_y, ϕ,Δϕ), v₁ (δ_x, δ_y, ϕ,Δϕ), u₂ (δ_x, δ_y, ϕ, Δϕ) und v₂ (δ_x, δ_y, ϕ, Δϕ) bestimmt, aus denen dann die Werte des Refraktionszustandes berechnet werden können.For this reason, an arrangement with two cameras and fixed, inclined knife edges is used in a preferred variant of the invention ( FIG. 1), so that photography can be carried out simultaneously or in rapid succession and the above disadvantage is overcome. With this arrangement, four parameters u₁ (δ _x , δ _y , ϕ, Δϕ), v₁ (δ _x , δ _y , ϕ, Δϕ), u₂ (δ _x , δ _y , ϕ, Δϕ) and v₂ (δ _x , δ _y , ϕ, Δϕ), from which the values of the refraction state can then be calculated.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus zwei CCD-Kameras, die über Frame- Grabber-Karten mit einem Computer verbunden sind, so daß die Bilddaten in den Rechnerspeicher eingelesen werden können, sowie Knife Edge-Abdeckungen, auf der möglichst kleine Lichtquellen (z. B. Laserdioden oder teilweise abgedeckte Leuchtdioden) befestigt sind (Fig. 1). Darüber hinaus wird ein Programm eingesetzt, das folgende Aufgaben übernimmt:An embodiment of the invention consists of two CCD cameras, which are connected to a computer via frame grabber cards, so that the image data can be read into the computer memory, and knife edge covers, on which the smallest possible light sources (e.g. Laser diodes or partially covered LEDs) are attached ( Fig. 1). In addition, a program is used that does the following:

(a) Driving the frame grabber cards so that the images of the CCD cameras are on Key presses can be read into computer memory.
(b) The areas of the pupils must be found within the images. This Writing can be carried out by the examining person by z. B. with a Crosshair selects the corresponding areas in the pictures.
(c) From the geometric data to be entered and the size of the pupils in the The program must calculate the actual pupil size in the images.
(d) Finally, an algorithm for determining the measurement result based on the above. To implement equation for the brightness values I. For this the of Levenberg and Marquardt, described in detail in Press et al .: Numerical Recipes in Pascal, Cambridge University Press, 1st Ed. (1989), as particularly suitable.

Claims

1. photorefractometer with knife edge and light source attached to it, connected to a computer for automatic evaluation, characterized in that the equation determining the relative brightness of the pupil points where e is the distance from the light source to the knife edge, l is the distance from the patient to the photorefractor, r _{p is} the pupil radius and x, y are the coordinates of the pupil points and δ _x , δ _y and ϕ describe the refraction state, is used to automate the method.

2. photorefractometer with knife edge and light source attached to it, connected to a computer for automatic evaluation, characterized in that the equation describing the relative brightness within the expression where N is a normalization factor and R is a term for the interference caused by noise or the like, is used in the automation of the method.

3. Photorefractor according to claim 1 or 2, characterized in that two Cameras with inclined knife edges are used.