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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bilderfassung des menschlichen
Auges für
die Bereiche Irisdiagnose/Augendiagnose und Iriserkennung.
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Sie
kombiniert zwei verschiedene Aufnahmemodi – visuelles Licht und nahen
Infrarotbereich – mit
einer hohen Bildqualität
(Schärfe,
Kontrast, gleichmäßige Ausleuchtung
des Auges, sehr hohe Auflösung
durch Aufnahme im Makrobereich).
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Die
Vorrichtung zeichnet sich aus durch die Verwendung herkömmlicher,
handelsüblicher
Komponenten mit dem Ziel der Realisierbarkeit im preiswerten Rahmen,
ist für
den fotografischen Laien konzipiert und ermöglicht ihm durch Aufbau und
voreingestellte Faktoren einen mühelosen,
sekundenschnellen Ablauf mit auf ein Minimum reduzierten Bedienschritten.
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Stand der
Technik
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Es
ist in der Augendiagnose üblich,
nicht nur mit Hilfe eines Irismikroskops, sondern auch anhand von
Fotos Diagnosen zu erstellen, inzwischen auch mit digitalen Fotos
und einer Software zur computerunterstützten Augendiagnose. Das Problem
liegt aber immer noch in der Erstellung eines qualitativ hochwertigen
Fotos, da Spiegelungen, Überblitzung, zu
geringe Auflösung,
Farbabweichungen, Unschärfe,
ungleichmäßige Ausleuchtung
und sehr variabler Abstand von Auge und Aufnahmegerät die zuverlässige Diagnose
erschweren.
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Auch
eine Vergleichbarkeit und Dokumentierbarkeit ist bei den vielen
unterschiedlichen, nicht reproduzierbaren Aufnahmebedingungen nicht
gegeben.
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Es
gibt die Möglichkeit,
mit einer aufgeschraubten Kamera durch ein Irismikroskop zu fotografieren,
eine Kamera anstelle des Irismikroskops anzubringen oder aus der
freien Hand zu fotografieren; dabei hat der Benutzer noch viele
Aufgaben wie beispielsweise Anordnung, Kameraeinstellungen, Ausleuchtung
des Auges selbst zu lösen.
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In
der Augendiagnose, die eine farbgetreue, möglichst präzise Abbildung der feinsten
Strukturen (vorwiegend der Iris, aber auch der Gefäße in der Sklera)
benötigt,
wurde die Infrarotfotografie bisher nicht genutzt. Braune Iriden
afrikanischer, arabischer und einiger asiatischer Volkstämme, in
der Augendiagnose „hämatogen" genannt, konnten
somit bisher nur nach „Hellungen
und Dunklungen" beurteilt
werden, da das obere Deckblatt der hämatogenen Iris keine tieferliegenden
Strukturen erkennen lässt.
(Günther Lindemann,
Augendiagnostik, S.66; Joachim Broy, Die Konstitution, S. 204)
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Die
infrarote Strahlung erfasst auch tieferliegende Gewebeschichten
und deren Strukturen, so dass damit auch braune Iriden weitergehend
diagnostiziert werden können.
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In
der Iriserkennung wird aus diesem Grund ausschließlich im
nahen Infrarotbereich gearbeitet, da es zur Erstellung eines geeigneten
Templates auf die Strukturen und nicht auf die Farbgebung der Iris ankommt.
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In
der Augendiagnose werden also Fotos mit visuellem Licht benötigt, darüber hinaus
würde die IR-Fotografie
weitere Diagnosemöglichkeiten
erschließen.
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Die
Ausleuchtung der Augen erfolgt in der laienhaften Augenfotografie
mit Blitz, bei medizinischen Geräten
mit einer Spaltlampe, einer Halogenlampe, lichtemittierenden Dioden
oder Laserdioden.
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Diese
belasten das Auge häufig
durch eine extreme Helligkeit, oder leuchten es wegen einer punktuell
stärkeren
Helligkeit nicht gleichmäßig aus, da
bei diesen Geräten
häufig
die Untersuchung und nicht die Bilderfassung der Iris in ihrer Gesamtheit
im Vordergrund steht. Die verwendeten Lichtquellen gehören zu den
exquisiteren Leuchtmitteln und sind nicht immer ohne weiteres vom
Benutzer auswechselbar.
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Blitzen
aus geringer Entfernung birgt immer die Gefahr einer Sehnervschädigung.
Geblitzte Fotos sind bezüglich
der Schärfe
meist von hoher Qualität, leider
gibt es immer einen größeren Bereich
des Auges, der wegen Überblitzung
nicht zu erkennen ist.
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Reduziert
man die Intensität
des Blitzes durch eine helle Umgebung, erhält man durch die zusätzlichen
Lichtquellen unerwünschte
Spiegelungen im Auge.
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Je
mehr diffuses Licht außerdem
auf das Auge und in das Objektiv fällt, desto mehr reduziert sich
die Bildschärfe.
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Optische
Systeme, die den Infrarotbereich nutzen und für die Augenfotografie geeignet
sind, ermöglichen
oft weitere umfassende Messungen und Untersuchungen verschiedenster
Anteile des Auges. Dadurch weisen diese Geräte zwar viele Funktionen zur
ophthalmologischen Untersuchung auf, sind aber oft nur am Rande
auch für
ein qualitativ hochwertiges Irisfoto konzipiert und im allgemeinen
zu teuer und zu umfangreich, um für die reine Augenfotografie
eingesetzt zu werden.
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Es
fehlt im Bereich der Augendiagnose also eine Vorrichtung, die sowohl
visuelle Fotos, als auch Fotos im nahen Infrarotbereich erstellt,
sich aber aus Kostengründen
auf diese beiden Funktionen beschränkt.
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Da
im Praxisalltag eines Heilpraktikers oder Arztes nicht viel Zeit
für fotografische
Tätigkeit
eingeplant werden kann, sollten die Bedienschritte möglichst
einfach und auf einige wenige reduziert sein.
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Wünschenswert
wäre in
diesem Zusammenhang eine Lichtquelle, die das Auge ausreichend, gleichmäßig, wenig
belastend ausleuchtet, begrenzte Wärmeentwicklung hat, vom Laien
auswechselbar ist, preiswert ist, und gleichzeitig ausreichend IR-Anteil
aufweist.
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Die
Vorrichtung sollte qualitativ hochwertige Fotos erstellen, ohne
dass fotografisches Fachwissen des Benutzers vonnöten ist.
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In
der Iriserkennung sind die optischen Systeme nur auf den nahen IR-Bereich
ausgerichtet, enthalten spezielle CCD-Kameras, also Videokameras mit
meist geringerer Auflösung,
da es im Bereich der Zugangskontrolle auf schnelle Abläufe und
eine ausreichende Identifikationsmöglichkeit, weniger aber auf
Genauigkeit der Fotos ankommt.
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Bei
der Zugangskontrolle gibt die Lichtreaktion der Pupille darüber Auskunft,
ob ein wirkliches menschliches Auge oder nur ein Bild vor die Kamera gehalten
wird.
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Es
gibt in diesem Zusammenhang aktive (die Mitarbeit des zu Fotografierenden
ist gefordert) und passive (das System fokussiert selbst) Systeme.
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Die
bisher erzielten Ergebnisse haben noch nicht die Qualität, die für einen
effektiven Einsatz der Iriserkennung wünschenswert wäre, vergl.
Bio-P 2 (Studie des BSI).
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Aus
diesem Grund wurde für
den Reisepass auf die Anwendung der Iriserkennung verzichtet.
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Für den neuen
Personalausweis sind diese Entscheidungen noch nicht getroffen.
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Als
Basiserfassung für
eine spätere
Abgleichung mit IR-Fotos von Überwachungs- oder Identifizierungssystemen
wäre ein
qualitativ hochwertiges Foto bezüglich
hoher Auflösung,
Schärfe
und Kontrast sehr wertvoll.
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Von
diesem kann dann ein geeignetes Template zur Speicherung auf dem
neuen Personalausweis erstellt werden.
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Wichtig
ist in diesem Zusammenhang, dass auch fotografisch ungeschultes
Personal diese Bilderfassung in wenigen Schritten ausführen kann.
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Es
fehlt in diesem Bereich also eine auf Infrarotfotografie ausgerichtete
Vorrichtung, die mit möglichst
preiswerten Komponenten und wenigen Bedienschritten qualitativ hochwertige
IR-Fotos erstellt, ohne dass vom Benutzer Fachwissen erforderlich
ist.
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Beschreibung
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Die
beschriebene Vorrichtung zur Bilderfassung von Augen ist für den fotografischen
Laien entwickelt. Durch Festlegung und Voreinstellung von zahlreichen
Faktoren (Beleuchtungswinkel, Ausschluß von störenden Spiegelungen, Minimieren
der Wimpernschatten, Blende, Belichtungszeit, ISOzahl, manuellem
Weißabgleich,
gleichbleibend geometrischer Situation von Objektiv-Lichtquelle-Auge,
Fernauslöser,
drehbarem oder verschiebbarem Filterhalter) kann mit ein und derselben
Vorrichtung, die sich durch preiswerte handelsübliche Komponenten und Einfachheit
auszeichnet, nahezu gleichzeitig ein visuelles Bild sowie ein Bild
im nahen Infrarotbereich erstellt werden. Es ist kein Fachwissen
und kein besonderes Geschick des Benutzers notwendig, die Aufnahmezeit
und die Bedienschritte sind auf ein Minimum reduziert, das Ergebnis
weist höchste
Qualität,
Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit auf.
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Für die exakte
Fokussierung ist eine kontinuierliche Lichtquelle wünschenswert.
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Je
weniger Lichtquellen dabei benötigt
werden, desto weniger Spiegelungen, unter denen die Struktur der
Iris nicht mehr zu erkennen ist, erscheinen im Auge.
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Darüber hinaus
sollte die Ausdehnung des möglichst
einzigen im Auge erscheinenden Spiegelpunktes minimal sein.
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Die
Lichtquelle besteht aus einer Glühlampe (vorzugsweise
einer Spot Concentra).
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Diese
wird eingesetzt, da sie – in
Bezug auf Gleichmäßigkeit
der Ausleuchtung, benötigter
und zumutbarer Helligkeit, begrenzter Wärmeentwicklung, – große Vorzüge und gleichzeitig
genügend
Infrarotanteil aufweist. Dies trifft sowohl für den Einsatz einer Lichtquelle
als auch für
den gleichzeitigen Gebrauch beider Lichtquellen zu.
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Die
Bedienschritte, die für
eine unmittelbare Abfolge von visueller und IR-Fotografie im Wechsel notwendig
sind, werden durch den Gebrauch von ein und derselben Lichtquelle
deutlich minimiert.
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Die
Glühlampe
ist zudem einfach auszuwechseln, handelsüblich und preiswert.
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Die
konstante Ausleuchtung hat den Vorteil, dass die Pupille weitgehend
verengt ist und damit die Iris mehr Ausdehnung hat.
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Die
Lichtquelle hat in einem horizontalen seitlichen Einstrahlungswinkel
bevorzugt 20°-40°, besonders
bevorzugt 28°-32° angeordnet
den Vorteil
- 1. Wimpernschatten zu vermeiden,
- 2. Reliefwirkung zu erzielen, diese führt zu einer kontrastreicheren
Darstellung der Irisstrukturen.
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An
der Halterung der Lichtquelle ist zwischen Lichtquelle und der Kopfanlage
des zu Fotografierenden eine Lochblende angeordnet, um das ausstrahlende
Licht zu bündeln,
den austretenden Lichtkegel zu verkleinern und dadurch den auf dem
Auge spiegelnden Lichtpunkt zu minimieren. Dadurch wird möglichst
wenig von der Iris durch die Lichtquellenspiegelung verdeckt, unter
der die Strukturen der Iris nicht sichtbar sind. Der durch die Lichtquellenspiegelung
verdeckte Bereich umfasst bevorzugt weniger als 1 % des gesamten
Flächeninhalts
der Iris, besonders bevorzugt weniger als 0,5 %.
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Die
Lochblende hat den weiteren Effekt, dass die Helligkeit der Lichtquelle
sowie die Wärmeentwicklung
auf ein für
den zu Fotografierenden angenehmes Maß reduziert werden.
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Da
der Abstand von Lichtquelle und Auge abhängig von benötigter sowie
begrenzter Helligkeit und begrenzter Wärmeentwicklung nur in einem
engen Rahmen variabel ist, ist es von Vorteil, die Lochblende direkt
an der Lichtquelle anzuordnen. Die Lochblende weist eine runde Öffnung mit
einem Durchmesser von vorzugsweise weniger als 30 mm und mehr als
20 mm auf.
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Der
Vorteil der runden Öffnung
besteht vor allem in der besonders gleichmäßigen Ausleuchtung der ebenfalls
kreisförmigen
Iris.
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Vor
dem Objektiv befindet sich ein Filterhalter, in dem Filter mit verschiedenen
optischen Eigenschaften angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel ist der Filterhalter
um seine eigene Achse drehbar und enthält zwei verschiedene Filter:
- 1. einen Infrarotsperrfilter, auch UV-IR-Block
genannt, er befindet sich gewöhnlich
am Sensor in den Spiegelreflexkameras. Bei der verwendeten Kamera
wurde er ausgebaut und durch einen Klarglasfilter ersetzt, der den
Sensor schützt
und die Autofokusfunktion für
normalen Gebrauch der Kamera weiterhin gewährleistet.
- 2. eine IR-Filter, der vorwiegend Licht im nahen IR-Bereich
durchlässt.
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Bei
zwei Filtern ist ein auch verschiebbarer Filterhalter denkbar und
empfehlenswert. Nach einem Ausbau des IR-Sperrfilters aus dem Kamerasystem
ist durch die Wahl des geeigneten vorgeschalteten Filters sowohl
ein Foto mit visuellem Licht als auch ein Foto im nahen IR-Bereich
möglich.
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Das
Problem der Fokussierung in der Infrarotfotografie wird bei der
vorliegenden Vorrichtung dahingehend gelöst, dass die Fokussierung bei
vorgeschaltetem IR-Sperrfilter,
d.h. mit visuellem Licht erfolgt, anschließend der IR-Filter vorgeschaltet
wird und mit Kabelauslöser
ausgelöst
wird.
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Für den Vorgang
des Filterwechsels und des Auslösens
werden nur einige Sekunden benötigt.
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Die
Fokussierung erfolgt manuell, da der Autofokus durch den IR-Filter
nicht verlässlich
fokussieren kann. Das Objektiv ist also auf MF, manuelle Fokussierung
eingestellt, damit durch den Autofokus keine Irritationen erfolgen.
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Die
manuelle Fokussierung benötigt
aufgrund des 2,5fach vergrößernden
Winkelsuchers, der feinjustierenden Höhenverstellung der Kamerabefestigung
und des Makroschlittens bei fest eingestellter Entfernung am Objektiv
nur einige Sekunden.
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Damit
der zu Fotografierende bei der Fokussierung oder bei dem Filterwechsel
nicht mit den Augen abweicht, ist es hilfreich, dass der zu Fotografierende
mit den Augen einen vorzugsweise am Kameragehäuse markierten Punkt fixiert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1:
eine an einer Lichtquelle angeordnete Lochblende
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2:
den Einstrahlungswinkel der Lichtquellen zum Auge
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3:
ein Ausführungsbeispiel
in Seitenansicht
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4:
ein Ausführungsbeispiel
aus der Sicht des zu Fotografierenden (ohne Kopfanlage)
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5:
die geometrische Situation von Kamera, Lichtquelle, Kopfanlage und
Auge
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, die eine Lochblende 1 mit runder Öffnung 2 aufweist,
die direkt an der Lichtquellenhalterung 3 angeordnet ist.
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2 verdeutlicht
den horizontalen seitlichen Einstrahlungswinkel 5 der Lichtquellen 22 zum Auge.
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3 zeigt
eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels
in der Gesamtheit, wobei eine berührungslose Anwendung erfolgt.
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Das
optische System ist in einem definierten Abstand vom Auge angeordnet.
Die Lichtquellen 22 strahlen in einem horizontalen Winkel 5 in
das Auge und auf die Iris. Zwei Unterlegschienen 20, auf
denen je ein stativähnlicher
Aufbau 21, einer mit der Kopfanlage 24 für den zu
Fotografierenden, ein anderer, auf dem die Kamerabefestigung 12 und
zwei seitlich angeordnete Lichtquellen 22 (vorzugsweise
je eine pro Auge) angeordnet sind, sind gegeneinander verschiebbar.
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Die
Kopfanlage 24 besteht wie üblich aus einer Kinnauflage 9 und
einer Stirnstütze 8.
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Sie
ist zusätzlich
zu einem üblicherweise
höhenverstellbaren
Stuhl, auf dem der zu Fotografierende sitzt, in der Höhe verstellbar 10.
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Die
Lichtquellen 22 sind an beweglichen Armen 6 angeordnet,
so dass weitere Effekte erzielt werden können, wie z.B. eine noch stärkere Reliefwirkung
(Einstrahlungswinkel 40° und
mehr)
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Die
Lichtquellen sind in ihrer Strahlungsrichtung manuell auf das Auge
einstellbar; so kann ein lichtempfindlicher Patient mit weniger
Helligkeit, d.h. mit weniger direkt strahlenden Lichtquellen fotografiert
werden.
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Die übliche Dimmbarkeit
ist natürlich
denkbar, verändert
aber die als geeignet gefundene Helligkeit und verringert die Vergleichbarkeit
der Fotos untereinander.
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Der
stativähnliche
Aufbau 21 unter der Kamerabefestigung 12 sollte
in der Endausführung
eine feinjustierende Höhenverstellung 11 aufweisen,
damit das Objektiv 14 nicht nur durch den verschiebbaren
Unterbau 20 seitlich vor dem rechten oder linken Auge,
sondern auch in der Höhe
vor dem jeweiligen Auge präzise ausgerichtet
werden kann; diese Anordnungen sind von vielen ophthalmologischen
Geräten
bekannt. Bekannt sind auch Winkelsucher 19 und Makroschlitten 13.
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Vor
dem Objektiv 14 mit Nahlinse 15 ist ein beweglicher
Filterhalter 16, hier um seine eigene Achse drehbar, angeordnet,
darin ein IR-Sperrfilter 17 sowie ein IR-Filter 18.
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4 zeigt
das Ausführungsbeispiel
ohne Kopfanlage aus der Sicht des zu Fotografierenden.
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5 verdeutlicht
die geometrische Situation von Lichtquellen 22, austretendem
Lichtkegel 4, Kamera 23, Kopfanlage 24 und
zu Fotografierendem.
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Bedienschritte
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Vorbereitung:
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- – der
Patient hat den Kopf auf der Kinnablage und an der Stirnstütze fixiert
- – Eine
der beiden Lampen (für
rechtes oder linkes Auge) ist eingeschaltet
- – Der
Raum ist abgedunkelt
- – Der
IR-Sperrfilter befindet sich vor dem Objektiv
- – Das
Objektiv ist auf MF (manuelle Fokussierung) eingestellt
- – fest
eingestellte Entfernung am Objektiv
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Aufnahmevorgang:
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- – (Blick
durch den Winkelsucher mit 2,5facher Vergrößerung)
- – Durch
Verschieben und Höhenverstellung
das Objektiv vor das Auge bringen
- – Mithilfe
eines feinjustierenden Makroschlittens manuelle Scharfeinstellung
- – Patient öffnet das
Auge weit und fixiert bestimmten markierten Punkt
- – Auslösen mit
dem Kabelauslöser
- – Für ein IR-Bild
unmittelbar nach der Scharfeinstellung bei visuellem Licht den IR-Filter
vor das Objektiv bringen, vorzugsweise durch Drehen oder Schieben
eines Filterhalters
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- 1
- Lochblende
- 2
- Öffnung der
Lochblende
- 3
- Lichtquellenhalterung
- 4
- austretender
Lichtkegel
- 5
- horizontaler
seitlicher Einstrahlungswinkel
- 6
- beweglicher
Befestigungsarm
- 7
- bewegliches
Gelenk
- 8
- Stirnstütze
- 9
- Kinnauflage
- 10
- Höhenverstellung
der Kopfanlage
- 11
- Höhenverstellung
der Kamerabefestigung
- 12
- Kamerabefestigung
- 13
- Makroschlitten
- 14
- Makroobjektiv
- 15
- Nahlinse
- 16
- Filterhalter
- 17
- IR-Sperrfilter
- 18
- IR-Filter
- 19
- Winkelsucher
- 20
- verschiebbare
Unterlegschienen
- 21
- Stative
oder stativähnliche
Anordnung
- 22
- Lichtquelle
- 23
- Kamera
- 24
- Kopfanlage