DE2641004C2

DE2641004C2 - Vorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung

Info

Publication number: DE2641004C2
Application number: DE2641004A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Dr. 6056 Heusenstamm Achatz; Rasmus Dipl.-Phys. Dr. 6078 Neu-Isenburg Beck; Werner Dr.med. 6000 Frankfurt Bockelmann
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1976-09-11
Filing date: 1976-09-11
Publication date: 1981-12-17
Also published as: US4159867A; DE2641004A1; FR2364018A1; GB1563286A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung, bestehend aus einem vor dem zu vermessenden Auge angeordneten Träger, der in Form einer offenen, zusammenhängenden Fläche (Trägerfläche) ausgebildet ist, auf der einzelne Lichtpunkte erzeugbar sind, einem dazu zentrierten Teleskop und einer zur Reflexion des in das Teleskop einfallenden Lichtes dienenden Einrichtung.

Messungen des Krümmungsradius der vorderen Hornhautfläche geben Aufschluß über die Hornhautkrümmung und den Hornhautastigmatismus. Da der Astigmatismus bei der Refraktion des Auges bekannt sein muß, fanden Instrumente zur Messung der Krümmungsradien der vorderen Hornhautfläche, sogenannte Keratometer, im augenärztlichen Bereich Verwendung zur Brillenbestimmung. Seit Einführung der Hornhaut-Kontaktlinsen muß diese Messung routinemäßig eingesetzt werden, da für die exakte bo Anpassung einer Kontaktlinse auf die Hornhaut eine genaue Kenntnis der Hornhautkrümmung notwendig ist. Bei dieser Anpassung muß berücksichtigt werden, daß die Hornhautoberfläche kein einzelner Kugelabschnitt konstanter Krümmung ist, sondern daß sie zum f>5 Rand hin mehr oder weniger stark abgeflacht verlauf·.. Außerdem ist üblicherweise ein vorhandener Astigmatismus der vorderen Corneafläche zu beachten.

Instrumente für keratometrische Messungen sind bekannt. Dabei wird die Größe des Hornhautreflexbüdes, sogenanntes I. Purkinje Bild, im Vergleich zu einem gegebenen Objekt ausgemessen. Bei älteren Geräten geschieht dies visuell durch Messer· der Bildgröße in einem Okularmikrometer. Der Träger zur Aufnahme von Objektpunkten besteht bei diesen Vorrichtungen meist aus zwei schwenkbaren gekrümmten Armen, welche die Erzeugung von Bildpunkten auf .uir eine Achse ermöglichen, erst nach Schwenkung des Gerätes auch auf einer anderen Achse. In der DE-OS 25 30 085 wird ein binokulares (Operations)Mikroskop mit Fadenkreuz und einer Vielzahl kleiner Lichtquellen, die einen Kreis konzentrisch zum Objektiv bilden, beschrieben.

Neue Entwicklungen umfassen Photokeratometer, mit denen das auf der Hornhaut entworfene Bild photographiert und densitometrisch ausgewertet wird (z. B. DE-OS 20 53 623, US-PS 34 53 437 und US-PS 31 69 495). Mit diesen Photokeratometern können zwar die notwendigen Werte aus einer einzigen Aufnahme gewonnen werden, sie haben jedoch den entscheidenden Nachteil, daß die Aufnahme an einer zentralen Sammelstelle, welcne die erforderlichen Geräte, z. B. Densitometer, Computer, besitzt, ausgewertet werden muß. Aus diesem Grunde ist zwischen der eigentlichen Messung und dem Erhalt des Ergebnisses des öfteren ein unzumutbarer Zeitraum erforderlich. Aus der US-PS 3183 519 ist eine Vorrichtung zur Messung von Krümmungsradien bekannt, die einen Digitalrechner umfaßt, der ein unmittelbares Meßergebnis liefert. Die Messung erfolgt für fünf verschiedene Blickrichtungen, die durch entsprechende Fixierleuchten festgelegt sind. Die Messung selbst basiert auf der Erfassung der Ablenkwinkel zweier Meßstrahlengänge bei der Reflexion an der Hornhaut.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun, eine Vorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung zu entwickeln, die dem Augenarzt oder dem Optiker ermöglicht, die gewünschten Da'.en schnell und in möglichst praxisnaher Form zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der eingangs genannten Vorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung die Trägerfläche gekrümmt ist, daß die Lichtpunkte auf der gesamten Trägerfläche erzeugbar sind und daß zur Bestimmung der Lage des dem jeweiligen Lichtpunkt zugehörigen virtuellen Lichtpunktes ein ortsempfindlicher Detektor vorgesehen ist. Diese Vorrichtung kann durch Verbinden des Detektor* mit einem Mikrocomputer, einem Zwischenspeicher sowie einer Ausgabeeinheit zur automatischen Messung der Hornhautkrümmung dienen.

Einige vorteilhafte Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den beigefügten Unteransprüchen 2 bis 6 erläutert.

In den beigefügten Abbildungen zeigen in schematischer Vereinfachung

F i g. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie den mathematischen Zusammenhang für die Krümmungsmessung,

F i g. 2 eine mögliche Anordnung der Lichtpunkte.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einem Träger 1 zur Aufnahme von Lichtpunkten O\ bis O_n, der eine gekrümmte, vorzugsweise kardioidisch gekrümmte Fläche darstellt, und einem dazu zentrierten Teleskop 2. Eine Kardioidfläche entsprechend /?=r₀ · (1 +cos φ) (siehe Taschenbuch der Mathematik. Bronstein-Semendiaiew, Seite 87,

B. G. Teubner, Verlagsgesellschaft Leipzig) ist bevorzugt, da dann die virtuelle Bildfläche hinter der Hornhaut eben ist. Die Objektebene 1 kann aber auch andere Krümmungen besitzen, was dann durch Korrekturen in der Auswertung berücksichtigt werden muß.

Das Material, aus dem die Objektfläche bzw. der Objektträger hergestellt wird, ist von der Art der verwendeten Lichtquelle zur Erzeugung der Lichtpunkte abhängig.

Das zur Tragerfläche 1 zentrierte Teleskop 2 weist ι ο zwischen dem Okular 3 und dem Objektiv 4 eine Einrichtung 5 auf, die zur Reflexion des in das Teleskop einfallenden Lichts dient.

Diese Einrichtung kann ein Klappspiegel oder ein teillichtdurchlässiger Spiegel sein. Teillichtdurchlässige Spiegel sind bevorzugt, da sich damit für den Beobachter bessere Einstellungsmöglichkeiten bieten, ohne weitere Einrichtungen an dem Teleskop vorsehen zu müssen. Sie werden fest in dem Teleskop angebracht Wird jedoch ein Klappspiegel verwendet, so muß die Vorrichtung an dem Teleskop eine Hinrichtung aufweisen, mit der der Klappspiegel betätigt werden kann. Dies ist erforderlich, da zur Justierung des Teleskops vor der eigentlichen Messung durch den Beobachte:· der Klappspiegel aus dem Strahlengang herausgeklappt werden muß. Das Teleskop weist ferner einen, zu dem teillichtdurchlässigen Spiegel oder zu dem Klappspiegel ausgerichteten Detektor 6 auf, der seinerseits direkt oder unter Zwischenschaltung eines Zwischenspeichers 6a mit einem Rechner 6b verbunden ist Die Angabe der jo ermittelten Werte erfolgt über eine dem Rechner nachgeschaltete Ausgabeelektronik 6c

Bei dem Detektor 6, der zur Messung des Bildpunktabstandes h von der optischen Achse dient, handelt es sich vorzugsweise um einen ortsempfindli- J5 chen Siüciumdetektor. Eine weitere Möglichkeit bietet sich in der Verwendung eines Vidicons als Aufnahmeelement an. Als Detektoren, die ebenso verwendbar sind, können lineare Diodenarrays oder eine Diodenmatrix aus lichtempfindlichen Dioden in Frage kommen. Die linearen Diodenarrays, die Diodenmatrix sowie das Vidicon können sämtliche Bildpunkte in paralleler Ansteuerung verarbeiten, während der ortsempfindliche Detektor die sequentielle Ansteuerung erfordert.

Erfindungsgemäß werden auf der gekrümmten Trägerflädie 1 an unterschiedlicher: Orten Lichtpunkte O\ bis O_n erzeugt. Die Reflexe dieser in der Objektebenc aufleuchtenden Punkte auf der Hornhautvorderfläche können als virtuelle Bilder B_x bis B_n, als sogenannte I. Purkinje Bilder, beobachtet und ihre Positionen durch die Detektionsoptik bezüglich der optischen Achse vermessen werden.

Zur Zentrierung des Teleskops auf das Meßobjekt bzw zur Justierung der erfindungsgemäßen Meßapparatur werden vorzugsweise auf der Objek'.ebene 1 vier Lichtstriche bzw. Justierstriche 7 in Richtung der beiden Hauptachsen erzeugt, deren Purkinje-Bilder in ihrer Gesamtheit durch das Okular beobachtet, bei korrekter Einstellung auf zwei sich kreuzenden Geraden liegen. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der Justierstriche ähnlich den zur Erzeugung der Objektpunkte O\ bis O_n vorgeschlagenen Möglichkeiten. Diese Justierstriche 7 sind in Fig.2 schematisch dargestellt. Die vorgeschlagene Art der Einstellung beinhaltet den Vorteil, daß sie durch Einsatz der Noniussehschärfe in der Einstellung der Hauptachse erheblich präziser gegenüber anderen Methoden ist. Anschließend werden die vier Jusiterstriche zum Verlöschen gebracht und der eigentliche Meßvorgang ausgelöst, der während der Zeit zwischen zwei Lidschlägen durchgeführt werden kann.

Für die Erzeugung der Lichtpunkte bzw. Lichtmarfren auf der Objektebene 1 bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Hierzu können rückseitig beleuchtete Blenden, Lichtleiteranordnungen (Glasfasern), Punktlichtquellen (z. B. Laserdioden) oder ein wandernder Lichtpunkt (erzeugt durch Laserlicht und Ablenkeinheit) verwendet werden.

Eine weitestgehende Oberdeckung des Meßfeldes mit Lichtmarken erhält man durch Erzeugung der Lichtmarken mittels eines wandernden Lichtpunkts. Hier kann der Lichtfleck durch geeignete Steuerung der Ablenkeinheit auf beliebigen Bahnen über die Trägerfläche 1 geführt werden. Erzeugung von Lichtmarken durch rückseitig beleuchtete Blenden und durch Punktlichtquellen (z. B. Laserdioden) gestatten sowohl die parallele als auch die sequentielle Ausleuchtung. Mit wandernden Lichtpunkten kann nur sequentiell gemessen werden.

Wird, wie in Fig. 1 dargestellt, -<ύ der Objektebene ein Lichtpunkt O\ erzeugt, so wird sein Reflex als virtuelles Bild B\ auf der gestrichelten Bildebene BE beobachtet Der Krümmungsradius der Hornhaut r\ für diesen speziellen Objektpunkt und damit für den dazu korrer pondierenden Hornhautabschnitt mit dem Krümmungsmittelpunkt M\ ist dann durch die folgende Formel gegeben:

r\ = 2 d, —
n\

Hierbei ist h\ der Abstand des Lichtpunktes O\ und h\ der Abstand des Bildpunktes B\ von der optischen Achse. Die Abstände d\ und h\ sind aus den geometrischen Verhältnissen der Anordnung bekannt Die Messung von h\ mittels Detektoren liefert somit den Krümmungsradius der Hornhaut

Bei der Ableitung der obigen Formel wurde vernachlässigt, daß das virtuelle Bild etwas vor dem Fokus Fi des von der Hornhaut gebildeten konvexen Spiegels liegt Da die Entfernung d\ groß ist im Vergleich zum Abstand der virtuellen Bildebene von Fi, ist diese Näherung gerechtfertigt

Der Bildpunkt B\ wird auf dem Detektor vergrößert abgebildet und somit die Position des sekundären Bildpunktes B\ bestimmt Dies erfolgt dadurch, daß das Meßsignal, welches im wesentlichen aus dem Verhältnis von Objekthöhe h\ zur Bildhöhe h\ besteht, in einem Kleinrechner, der mit dem Detektor in Verbindung steht, nach Anbringung der nötigen Korrekturen in den Krümmungsradius t\ umgerechnet wird. Die an sämtlichen Meßpunkten parallel oder sequentiell gemessenen Radier., bieten somit in ihrer Gesamtheit die Krümmungsfläche der Hornhaut an.

Die Anwendung einer Teleskop-Optik ist aufgrund der für die spezielle Meßaufgabe benötigten geringen Tiefenschärfe der Abbildung erforderlich. Dadurch läßt sich erreichen, daß bei der Durchführung der Messung automatisch der korrekte Arbeitsabstand zwischen der Meßoptik und der Bildebene eingehalten wird, wenn die sekundären Bildpunkte By bis B_n' schcrf auf der Empfängerfläche abgebildet sind.

Es wird für die Eintrittspupille des Teleskops, welche möglichst in die EHene der Kardioide gelegt wird, ein möglichst geringer Durchmesser gefordert, damit einerseits achsennah erzeugte Objektpunkte O\ bis O_n von der abbildenden Optik nicht verdeckt werden,

andererseits die Öffnungswinkel des erfaßten Strahlenbündels und damit die Fleckgröße des jeweiligen Hornhautabschnitts möglichst klein gehalten werden. Die Objektpunkte sollten einen möglichst großen Sehwinkelbereich (z. B.3" >ö>45")abdecken.

Die Lagekoordinaten der Bildpunkte können direkt oder unter Verwendung eines Zwischenspeichers eir.em Rechner zugeführt werden, der aus den Koordinaten die zu bestimmende Krümmung in den jeweilig beleuchteten Hornhautabschnitten berechnet.

Auf diese Weise wird dem Kontaktlinsenanpasser ermöglicht, durch entsprechende Mitteilungsprozeduren (nahezu real-time) optimale koaxiale Radien der zu vermessenden Hornhaut zu bestimmen oder auch bei Bedarf das gesamte Krümmungsprofil der vorderen Hornhautfläche zu ermitteln.

Die Lichtpunkte in der Objektebene können im einfachsten Fall in Form eines Kreuzes angeordnet sein. In F i g. 2 ist jedoch die speziell bei sequentieller Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Anordnung in Form einer mehrstrahligen archimedischen Spirale angegeben.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung, bestehend aus einem vor dem zu vermessenden Auge angeordneten Träger, der in Form einer offenen, zusammenhängenden Fläche (Trägerfläche) ausgebildet ist, auf der einzelne Lichtpunkte erzeugbar sind, einem dazu zentrierten Teleskop und einer zur Reflexion des in das Teleskop ι ο einfallenden Lichts dienenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfläche (1) gekrümmt ist, daß die Lichtpunkte auf der gesamten Trägerfläche erzeugbar sind und daß zur Bestimmung der Lage des dem jeweiligen Lichtpunkt zugehörigen virtuellen Lichtpunktes ein ortsempfindlicher Detektor (6) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfläche kardioidisch gekrümmt ist-

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Detektor (6) ein Mikrocomputer (6b), gegebenenfalls mit Zwischenspeicher (6a), sowie eine Ausgabeeinheit (6c) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abstimmung der Größe der Trägerfläche mit der Eintrittspupille des Teleskops ein Beobachtungswinkel von 3° bis 45° geschaffen wird. jo

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtpunkte eine La;,er-Lice .quelle und eine Ablenkeinheit vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem d < Ansprüche 1 bis 5, .!5 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtpunkte in Form einer mehrstrahligen archimedischen Spirale angeordnet sind.