DE3020804A1

DE3020804A1 - Augenrefraktometer

Info

Publication number: DE3020804A1
Application number: DE19803020804
Authority: DE
Inventors: Masao Nohda; Izumi Umemura
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1979-06-02
Filing date: 1980-06-02
Publication date: 1980-12-04
Also published as: JPS55160538A; JPS624967B2; US4353625A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Augenrefraktometer, das nach dem Prinzip der"Retinoskopie" arbeitet.

Im allgemeinen muß bei der Messung der Refraktion eines Auges, die im folgenden auch als "Diopter"bezeichnet werden soll, zunächst die Richtung der astigmatisehen Hauptschnitte bzw. Haupt-Meridiane festgestellt und dann der Diopter in dieser Richtung gemessen werden. Eine Einrichtung zur Durchführung dieser Messungen unter Verwendung der Retinoskopie ist bereits entwickelt worden. Mit Retinoskopie ist folgendes gemeint: Ein spalt- bzw. schlitzförmiger Lichtstrahl wird auf die Pupille des zu untersuchenden Auges gerichtet; wenn dieses Licht sich bewegt, wird die Bewegung beobachtet, welche die Pupille durch das an der Retina des Auges reflektierte Licht zeigt; dadurch läßt sich der neutralisierte Zustand herausfinden, in dem sich das Licht nicht bewegt. Es gibt zwei Ausführungsformen dieses Verfahrens, nämlich eine Ausführungsform, bei der eine Linse mit verschiedenen Brechkräften unmittelbar vor dem zu untersuchenden Auge angeordnet wird, so daß das Auge aus einer vorgegebenen Lage beobachtet wird, um den Diopter zu erhalten, indem die Linse den neutralisierten Zustand herbeiführt, und eine Ausführungsform, bei der das Auge durch Änderung des Beobachtungsabstandes beobachtet wird, so daß der Diopter aus dem Abstand erhalten wird, der den neutralisierten Zustand herbeiführt. Als Einrichtungen zur fotoelektrischen Messung des Diopters des Auges durch die Retinoskopie werden in der US-PS 3 136 839 eine das zuerst erwähnte Verfahren verwendende Einrichtung und in der US-PS 3 715 166 eine Einrichtung beschrieben, die das zuletzt erwähnte Verfahren verwendet. Bei diesen Meßeinrichtungen wird die gesamte Einrichtung gedreht, um die Richtung der astigmatischen Achse des zu untersu-

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chenden Auges festzustellen, so daß ein sehr exakt arbeitender Servomechanismus unbedingt erforderlich ist, damit die gesamte Einrichtung sehr exakt mit der Richtung der astigmatischen Hauptmeridiane bzw. Hauptschnitte zusammenfällt. Dadurch wird jedoch ein solches Refraktometer sehr kompliziert und groß, so daß rasche Messungen im allgemeinen nicht möglich sind.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Augenrefraktometer zu schaffen, das eine einfache und kompakte Konstruktion hat und den Diopter des Auges exakt und rasch ermitteln kann.

Die vorliegende Erfindung beruht im wesentlichen auf der Retinoskopie und ist auf ein Augenrefraktometer gerichtet, das ein optisches, in einem Strahlengang eines Strahlenteilers vorgesehenes Projektionssystem, um einen Lichtstrahl auf eine Pupille eines zu untersuchenden Auges zu richten und den Lichtstrahl abzutasten, ein optisches, in dem anderen Strahlengang des Strahlenteilers vorgesehenes Kondensorsystem, das das an der Retina des Auges reflektierte Licht empfängt, und eine Kondensorlinse, eine Blende und ein Lichtempfangselement enthält, sowie ein Signalverarbeitungssystem für die Verarbeitung der Signale von dem Lichtempfangselement aufweist, wobei zwischen dem Strahlenteiler und dem Auge, exakt ausgedrückt dem Hintergrund des Auges, eine Einrichtung zur Drehung des Lichtstrahls um die optische Achse vorgesehen ist.

Die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung liegen darin, daß auf der Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselementes außerhalb der optischen Achse zwei Paare von Licht empfangenden oder fotoelektrischen Elementen vorgesehen sind, daß sowohl die Blende als auch das Lichtempfangs element fest bzw. stationär angeordnet sind, wobei sich die

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Blende zwischen dem Strahlenteiler und dem Lichtempfangselement befindet, und daß zwei Sätze von Phasendifferenzdetektoren als Signalverarbeitungssystem vorgesehen sind, um ein Signal für die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen eines Paars von fotoelektrischen Elementen und ein Signal für die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen des anderen Paars von fotoelektrischen Elementen zu erzeugen, so daß der Diopter mittels des Phasendifferenzsignals, das von einem der Phasendifferenzdetektoren erzeugt wird, und der Winkel der astimagtischen Achse mittels des Phasendif f erenzsignals bestimmt werden können, das von dem anderen Phasendifferenzdetektor erzeugt wird. Auf diese Weise lassen sich der Diopter und der Winkel der astigmatischen Achse unabhängig voneinander messen.

Die Erfindung schafft also ein Augenrefraktometer mit einem Lichtempfangselement mit zwei fotoelektrischen Elementen für die Feststellung der astigmatischen Achse und mit zwei fotoelektrischen Elementen für die Feststellung des Diopters eines Auges, die auf der Lichtempfangsoberfläche des Elementes außerhalb der optischen Achse der Kondensorlinse vorgesehen sind. Die beiden optischen Elemente für die Feststellung der astigmatischen Achse befinden sich auf einer geraden Linie, die senkrecht zu der Abtastrichtung des durch, das optische Projektionssystem projezierten Lichtstrahls liegt. Die beiden fotoelektrischen Elemente für die Feststellung des Diopters befinden sich auf einer Linie, die in Abtastrichtung verläuft, flit einem solchen Augenrefraktometer kann der Diopter des zu untersuchenden Auges mit wesentlich erhöhter Genauigkeit gemessen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

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Fig. 1 die Konstruktion eines optischen Systems zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 die Konstruktion des optischen Systems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Blende,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Aufbau des in Fig. 2 dargestellten Lichtempfangselementes,

Fig. 5 eine Vorderansicht eines zu untersuchenden Auges, das durch einen linearen Strahl abgetastet wird,

Fig. 6A bis 6C, 8 A - 8C und 12A - 12C Draufsichten auf die Lichtempfangsoberfläche, um darzustellen, wie der auf die Oberfläche auftreffende Lichtstrahl festgestellt wird,

Fig. 7A und 7B, 9A und 9B, 10 sowie 11A und 11B die Signale, die aus den verschiedenen Lichtstrahlen abgeleitet werden, die von den auf. der Lichteinpf angsober fläche angeordneten fotoelektrischen Elementen festgestellt werden, und

Fig. 13 ein Blockdiagramm des Verarbeitungssystems für elektrische Signale, wie es bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

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Bevor der Aufbau des Augenrefraktometers nach der vorliegenden Erfindung im einzelnen erläutert wird, soll zunächst das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung kurz beschrieben werden.

Dabei soll von der folgenden, in Fig. 1 zu erkennenden Anordnung ausgegangen werden: Die Abbildung S' einer punktförmigen Lichtquelle S, die in einem vorgegebenen Abstand auf der optischen Achse liegt, wird -in einem Abstand £, von einer ersten Linse 1 durch die erste Linse 1 erzeugt; der Lichtstrahl von der Lichtquelle S wird durch eine zweite Linse 2 auf eine Lichtempfangsoberfläche 3 projiziert. Wenn ein Verdunklungselement 4, das in dem Abstand JL von der ersten Linse 1 liegt, die optische Achse vertikal von unten nach oben in der Papierebene von Fig. 1 kreuzt, wird die Lichtempfangsoberfläche 3 momentan dunkel. Wenn das Verdunklungselement 4 die optische Achse in einem Abstand kreuzt, der kürzer als die Strecke -t ist, läuft ein Schatten von oben nach unten über die Lichtempfangsoberfläche Wenn das Verdunklungselement 4 die optische Achse in einem Abstand kreuzt, der näher bei der ersten Linse 1 liegt, verläuft der Schatten ebenfalls von oben nach unten über die Lichtempfangsoberfläche 3, wobei jedoch die Geschwindigkeit des Schattens geringer ist. Wenn jedoch andererseits das Verdunklungselement 4 die optische Achse in einem Abstand kreuzt, der weiter entfernt ist als die Abbildung S' der Lichtquelle, verläuft im Gegensatz zu der obigen Beschreibung der Schatten von unten nach oben über die Lichtempfangsoberfläche 3, so daß also die Bewegungsrichtung des Schattens mit der Bewegungsrichtung des Verdunklungselementes 4 zusammenfällt. Wenn sich das Verdunklungselement 4 an einer Stelle befindet, die noch weiter von der ersten Linse 1 entfernt ist, verlangsamt sich die Bewegungsgeschwindigkeit des Schattens. Die Bewegung des Schattens über die Lichtempfangsoberfläche 3 schwankt also

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in Abhängigkeit davon, ob das Verdunlclungseleraent 4 weiter vorne oder weiter hinten in Bezug auf die Abbildung S' der Lichtquelle liegt. Ninntt isan also an, daß das Verdunklungselement 4 die optische Achse an einer vorgegebenen Stelle kreuzt, und daß die Brechkraft der ersten Linse 1 variiert wird, so ändert sich die Lage der Abbildung S' der Lichtquelle entsprechend der änderung der Brechkraft der ersten Linse, wodurch die Bewegung des Schattens über die Lichtempfangsoberfläche 3 variiert wird. "Im einzelnen ergibt sich die folgende Beziehung: Wenn die Brechkraft der ersten Linse 1 so groß ist, daß die Abbildung S' der Lichtquelle vor dem Verdunklungselement 4 erzeugt wird, fällt die Bewegungsrichtung des Schattens auf der Lichtempfangsoberfläche 3 mit der Bewegungsrichtung des Verdunklungselementes 4 zusammen. V7enn andererseits die Brechkraft der ersten Linse 1 so klein ist, daß die Abbildung S' der Lichtquelle hinter dem Verdunklungselement 4 erzeugt wird, bewegt sich der Schatten auf der Lichtempfangsoberfläche 3 in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Verdunklungselementes 4 ist. Wenn der relative Abstand zwischen der Abbildung S' der Lichtquelle, die von der ersten Linse 1 erzeugt wird, und dem Verdunklungselement 4 größer ist, wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Schattens kleiner. Selbstverständlich wird die Lichtempfangsoberfläche momentan dunkel, wenn die Abbildung S' der Lichtquelle an der Stelle des Verdunklungselementes 4 erzeugt wird.

Wenn die Zeitspanne mit t bezeichnet wird, die der Schatten auf der Lichtempfangsoberfläche 3 benötigt, um von einem Ende zum anderen zu laufen, und wenn der Abstand von dem Verdunklungselement 4 zu der Abbildung S' der Lichtquelle mit d bezeichnet wird, so gilt die folgende Beziehung, welche die obige Beschreibung zusammenfaßt:

t = ^{2 tan a} . λ
ν

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" ¹⁰ ' 3020SQ4

dabei bedeuten:

a = den Winkel, den der konische

Lichtstrahl bildet, der die Abbildung S' der Lichtquelle mit der optischen Achse erreicht, und

ν = die Geschwindigkeit, mit der das Verdunklungselement 4 die optische Achse vertikal kreuzt.

Aus dieser Gleichung läßt sich folgendes erkennen: Wenn die Zeitspanne t gemessen wird, die der Schatten benötigt, um über die Lichtempfangsoberfläche zu laufen, so kann der Wert für d erhalten werden, der die Lage der Abbildung der Lichtquelle darstellt. Der Wert für d entspricht der Brechkraft der ersten Linse 1, so daß hieraus die Brechkraft unmittelbar erhalten werden kann.

Bei der obigen Beschreibung ist die Bewegung des Verdunklungselementes über die optische Achse äquivalent zur Abtrennung eines Teils des Lichtstrahls von einer punktförmigen Lichtquelle in Schlitzform, wobei dieser Teil in der öffnung der ersten Linse abgetastet wird. Wenn die erste Linse 1 als das zu untersuchende Auge betrachtet wird, handelt es sich um nichts anderes als die sogenannte "Retinoskopie". Die vorliegende Erfindung beruht also auf dem Prinzip, die Bewegungsgeschwindigkeit des Schattens zu messen, statt einfach den Neutralisationspunkt bei der Retinoskopie zu bestimmen? die Refraktion des zu untersuchenden Auges, ausgedrückt in Dioptrien, kann dann aus diesem Wert ermittelt werden.

Ein Augenrefraktometer nach der vorliegenden Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert werden, die einen schematischen Querschnitt durch die Konstruktion eines optischen Systems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform weist allgemein ein optisches Fixations s y stern 20, ein optisches Testsystem 30 und. ein System 40 zur Drehung des Lichtstrahls auf, das zwischen dem optischen Fixationssystem 20 und dem

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optischen Testsystem 30 vorgesehen ist. In dem optischen Pixationssystem 20 bestrahlt eine Lichtquelle 21 ein Ziel bzw. Target 22; der Lichtstrahl von dem Ziel 22 wird durch einen Spiegel 23 reflektiert und durch eine Kollimatorlinse 24 im wesentlichen kollimiert bzw. parallel gemacht. Dieser Lichtstrahl wird an einem teilweise reflektierenden Spiegel oder Strahlenteiler 50 reflektiert und erreicht das zu untersuchende Auge 10, das fest auf das Target 22 sieht. Das Target 22 kann in Richtung der optischen Achse bewegt werden und wird jedesmal an einer Stelle angeordnet, die von dem zu untersuchenden Auge im nicht justierten Zustand fest gesehen werden kann.

Das optische Testsystem 30 enthält ein optisches Projektionssystem für die Abtastung eines spaltförmigen Infrarot-Lichtstrahls in der Pupille des zu untersuchenden Auges 10 sowie ein optisches Kondensorsystem,für die Konzentration des an der Retina des zu untersuchenden Auges 10 reflektierten Lichtes. Als Lichtquelle wird nach einer bevorzugten Ausführungsform eine infrarotes Licht emittierende Diode 31 verwendet; der Infrarot-Lichtstrahl von der Diode 31 wird durch eine Projektionslinse bzw. ein Projektionsobjektiv in einen iiu wesentlichen parallelen Lichtstrahl umgewandelt, an einem teilweise reflektierenden Spiegel oder Strahlenteiler 34 reflektiert und durch eine Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls auf die Pupille des Auges 10 projiziert; die Einrichtung 40 wird durch einen Schrittmotor (nicht dargestellt) intermittierend in einer vorgegebenen Richtung angetrieben und damit gedreht. Die Licht emittierende Diode 31 und die Projektionslinse 32 sind in einem drehbaren Zylinder 33 angeordnet, der um eine senkrecht zur optischen Achse des Projektionsobjektivs 32 verlaufende Achse gedreht werden kann; der den Strahlenteiler 34 erreichende Lichtstrahl wird durch eine spaltförmige öffnung 33a unterbrochen bzw. zerhackt, die in der Seite des drehbaren Zylinders 33 vorgesehen ist, so daß ein spaltförmiger Lichtstrahl mit gerad-

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linigem, insbesondere recheckigem Querschnitt entsteht. Dementsprechend tastet bei der Drehung des drehbaren Zylinders 33 der spaltförmige Lichtstrahl das Innere der Pupille des zu untersuchenden Auges 10 ab. Von dem auf die Pupille des zu untersuchenden Auges 10 projizierten Lichtstrahl wird durch eine Kondensorlinse 35 das Licht kondensiert bzw. konzentriert, das an der Retina des Auges reflektiert wird und wieder durch den Strahlenteiler 34 über die Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls verläuft. Wie man in Fig. 3 erkennen kann, ist eine Blende 36 mit einer spaltförmigen Öffnung 36a vorgesehen, die parallel zur Längsrichtung des projizierten, linearen (spaltförmigen) Lichtstrahls verläuft; diese Blende 36 ist fest hinter der Kon-•densorlinse 35, in Richtung des Strahlengangs gesehen, angeordnet, wie man in Fig. 2 erkennen kann; ein Lichtempfangs— element 37 ist fest hinter der Blende 36 angeordnet, und zwar ebenfalls in Richtung des Strahlengangs gesehen (siehe Fig. 2).

Die Lage des Lichtempfangselementes 37 ist im wesentlichen konjugiert zu der Kornea bzw. Hornhaut des zu untersuchenden Auges in Bezug auf die Kondensorlinse 35. Dementsprechend erreicht das durch die spaltförmige Öffnung 36a verlaufende Licht das Lichtempfangselement 37; von diesem Licht wird das an der Kornea des zu untersuchenden Auges reflektierte Licht auf die Mitte des Lichtempfangselementes 37 kondensiert bzw. konzentriert. Auf der Oberfläche des Lichtempfangselementes 37 sind vier fotoelektrische Elemente 61, 62, 63 und 64 sowie ein in vier Teile aufgeteiltes fotoelektrisches Element 80 auf der optischen Achse vorgesehen, wie man in Fig. 4 erkennen kann. Von den vier fotoelektrischen Elementen sind zwei Elemente 61 und 62 nahezu symmetrisch auf einer geraden Linie angeordnet, die parallel zu der Längsrichtung des Spaltes 36a verläuft. Die Elemente 61 und 62 sind im wesentlichen in gleichen Abständen von der Mitte der Lichtempfangsoberfläche angeordnet und bilden eine Einrichtung zur Feststellung der astigmatischen Achse. Die beiden fotoelektrischen Elemente 63 und 64 bilden eine Einrichtung für die Feststellung des Diopters bzw. der Refrak-

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tion des Auges; sie sind nahezu symmetrisch auf einer geraden Linie angeordnet, die senkrecht zur Längsrichtung des Spaltes 36a verläuft; sie befinden sich an Stellen, die im wesentlichen den gleichen Abstand von der Mitte der Lichtempfangsoberfläche haben. Das auf der optischen Achse liegende fotoelektrische Element 80 dient dazu, das reflektierte Licht von der Kornea des Auges zu empfangen. Xienn die Ausrichtung des Auges relativ zu dem Augenrefraktometer korrekt durchgeführt worden ist, trifft das reflektierte Licht von der Kornea gleichmäßig auf die vier aufgeteilten Flächen des fotoelektrischen Elementes 80, so daß die von diesem fotoelektrischen Element 80 erhaltenen Signale alle gleich sind. Wenn jedoch die Ausrichtung nicht korrekt durchgeführt wurde, dann weichen die verschiedenen Signale voneinander ab. Die von den in vier Teile aufgeteilten fotoelektrischen Element 80 kommenden Signale können also zweckmäßigerweise zur Erreichung einer korrekten Ausrichtung eingesetzt werden.

Fig. 5 stellt dar, wie das zu untersuchende Auge 10 mit der oben beschriebenen Anordnung abgetastet wird, wenn das · Auge durch einen Abtaststrahl mit linearem Querschnitt von oben nach unten abgetastet wird; dieser Abtaststrahl mit linearem Querschnitt wird dem Auge von dem drehbaren Zylinder 33 fortlaufend zugeführt. In Fig. 5, die eine Vorderansicht des Auges 10 darstellt, deutet die schraffierte Fläche einen Schattenbereich an, den kein Licht erreicht.

Wenn das Auge 10 astigmatisch ist, dann treten einige Unterschiede im Verhalten zwischen dem auf das Auge projizierten Strahl und dem von dem Lichtempfangselement 37 festgestellten Strahl auf. Wenn beispielsweise der konjugierte Punkt in Bezug auf den Augenhintergrund des Auges 10 sich an einer Stelle hinter der Blende 36 befindet, wird der Strahl auf der Lichtempfangsoberfläche geneigt, wie man

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in Fig. 6 erkennen kann, und bewegt sich in der angegebenen Reihenfolge über die Stellungen nach den Fig. 6A, 6B und 6C von oben nach unten. Die in Fig. 7A und 7B dargestellten Kurven zeigen die Form der Feststellungssignale, die in diesem Fall durch die fotoelektrischen Elemente 61 bzw. 62 erhalten werden können. Die Periode des Feststellungssignals entspricht der des Abtaststrahls. Das Maximum bzw. die Spitze der Signalwelle bedeutet das Vorhandensein des einfallenden Strahls, während das Minimum bzw. das Wellental die Abwesenheit des einfallenden Strahls bedeutet. Wie man in Fig. 7 erkennen kann, hat das Signal des fotoelektrischen Elementes 61 eine zeitliche Verzögerung α relativ zu der des fotoelektrischen Elementes 62. Die Größe und das Vorzeichen dieser Phasendifferenz α entspricht einer Verschiebung des Winkels bzw. einer Verschiebung der Richtung zwischen der Längsrichtung des bestrahlenden Lichtstrahls und der Richtung des astigmatischen Hauptschnittes. Die Abtastrichtung des Strahls wird durch die Drehung der Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls um die optische Achse der Kondensorlinse 35 mittels eines Motors gedreht, um die Achse des Astigmatismus zu messen. Während dieser Rotation der Abtastrichtung um 180° ändert sich üblicherweise die Neigung des linearen Strahls auf der Oberfläche des Lichtempfangselementes 37 kontinuierlich und nimmt die in Fig. 8 gezeigte Lage zweimal ein. Bei der in Fig. 8 gezeigten Lage wird die Neigung gerade umgekehrt, so daß zu diesem Zeitpunkt der auf die Lichtempfangsoberfläche fallende Strahl keine Neigung hat. Die Form des Strahls auf der Oberfläche ist gleich der des auf das Auge fallenden Strahls und bewegt sich in der angegebenen Reihenfolge von oben nach unten, wie in den Figuren 8A , 8B und 8C dargestellt ist. Dies ist der Zeitpunkt, wenn die Längsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls mit dem linearen Querschnitt für das Auge mit der Richtung eines von zwei astigmatischen Hauptschnitten zusammenfällt, die einander im rechten Winkel schneiden. Diese

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Lage kann festgestellt werden, indem ermittelt wird, daß die Feststellungssignale der fotoelektrischen Elemente 61 und 62 zusammenfallen:, das heißt also, daß der Punkt ermittelt wird, bei dem die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen 0 (Null) wird, wie man aus den Figuren 9A und 9B erkennen kann. Deshalb kann die Richtung der astigmatischen Hauptschnitte des Auges gefunden werden, indem im entsprechenden Zeitpunkt der Drehwinkel der Einrichtung zur Drehung des Lichtstrahls oder die bei der Drehbewegung des Schrittmotors für den Antrieb der Einrichtung 40 zurückgelegte Strecke abgelesen werden.

In dem Augenrefraktometer befinden sich jedoch verschiedene Quellen für Rauschsignale, so daß es sehr schwierig wird, sehr exakt die Lage festzustellen, in der die Phasendifferenz α zwischen den beiden Ausgangssignalen der fotoelektrischen Elemente 61 und 62 gerade 0 wird. Im allgemeinen variiert diese Phasendifferenz α periodisch mit Perioden von 180°> um einen Winkel θ des linearen Strahls abzutasten . Wenn jedoch -der Astigmatismus gering ist, stellt das Signal der Phasendifferenz keinen echten Nullpunkt fest, sondern nur eine falsche Winkellage, weil eine gewisse Rauschvorspannung N vorhanden ist, wie in Fig. 10 angedeutet ist. Im schlimmsten Falle erfolgt keine Feststellung des Nullpunktes, so daß die Messung des Astigmatismus nicht möglich ist.

um dieses Problem zu lösen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung der maximale und minimale Wert der Phasendifferenz zwischen den Signalen der fotoelektrischen Elemente 61 und 62 dazu verwendet, die Richtung der astigmatischen Achse festzustellen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung entspricht der Extremwert der Phasendifferenz α zwischen den beiden Signalen der fotoelektrischen Elemente und 62 dem größten Wert der Neigung des linearen Strahls auf der Oberfläche des Lichtempfangselementes 37, während

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sein maximaler und minimaler Wert der Version bzw. der Umkehrung der Neigung des Strahls entsprechen. Die astigmatische Achse kann also bestimmt werden, indem der Mittelwert des Maximums und des Minimu s der Phasendifferenz erhalten und der Winkel abgelesen wird, der dem gefundenen Mittelwert entspricht. Dadurch läßt sich die astigmatische Achse sogar dann exaxt feststellen, wenn das Ausmaß des Astigmatismus (z lindrischer Diopter) sehr gering ist.

Die in den Figuren 11A und 11B dargestellten Kurven zeigen ein Beispiel von Wellenformen der Feststellungssignale, die von den anderen beiden fotoelektrischen Elementen 63 und 64 für die Feststellung des Diopters erhalten werden. Die Periode dieser Feststellungssignale entspricht der Periode der Abtastung des oben erwähnten linearen Strahls. Die in Fig. 11 gezeigten beiden Signale erscheinen an der in den Figuren 5 oder 7 gezeigten Stelle. Die Phase des Signals des fotoelektrischen Elementes 63 eilt relativ zu der des Signals des fotoelektrischen Elementes 64 um β vor. Diese Phasendifferenz β ist die Zeitspanne, die für die Abtastung des linearen Strahls auf der Oberfläche des Lichtempfangselementes 37 benötigt wird. Wie oben erwähnt wurde, entspricht sie dem Diopter zu diesem Zeitpunkt in Äbtastrichtung des linearen, auf das zu untersuchende Auge 10 projizierten Strahls. Die Messung des Diopters in jeder Schnittrichtung erfolgt dadurch, daß die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der fotoelektrischen Elemente 63 und 64 festgestellt wird.

Hierbei haben die Kondensorlinse 35 und die Blende 36 die umgekehrte Lage, jedoch im wesentlichen eine ähnliche Konstruktion. Bei der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion sollte jedoch die Lage der Blende 36 nach einer bevorzugten Ausführungsform mit dem hinteren Brennpunkt der Kondensorlinse 35 zusammenfallen.

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Wenn dies der Fall ist, dann ist das .zu untersuchende Auge 10 normalsichtig bzw. emmetrop , und die Retina des Auges und die Lage der Blende sind konjugiert zueinander. Wie in Fig. 12 zu erkennen ist, v/erden in diesem Fall das Aufleuchten und das Abdunkeln des Lichtes auf der gesamten Oberfläche des Lichtempfangselementes in der Sequenz nach den Figuren 12A, 12B und 12C wiederholt. Deshalb wird zu diesem Zeitpunkt die Phasendifferenz zwischen den beiden fotoelektrischen Elementen Null. Dadurch wird es möglich, das Signalverarbeitungssystem weiter zu vereinfachen, das zur Ermittlung des Diopterwertes aus dem Phasendifferenzsignal dient.

Im folgenden soll das Signalverarbeitungssystem beschrieben werden, das die Werte der beiden Brechkräfte, d.h., den sphärischen bzw. kugelförmigen Diopter und den zylindrischen Diopter, sowie den Winkel der astigmatischen Achse aus den fotoelektrischen Signalen ermittelt, die von den vier fotoelektrischen Elementen abgegeben werden.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungssystene nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Wie oben erläutert wurde, empfangen zwei zur Feststellung des Diopters dienende fotoelektrische Elemente 63 und 64 sowie zwei zur Feststellung der astigmatischen Achse dienende Fotoelemente 61 und 62 das reflektierte Licht von dem Hintergrund des zu untersuchenden Auges. Die einzelnen Elemente erzeugen fotoelektrische Ströme mit einem Betrag, der jeweils proportional zu der Menge des auf die Elemente fallenden Lichtes ist. Da diese fotoelektrischen Ströme schwache Signale sind, werden sie jeweils auf Vorverstärker 200a, 200b, 200c bzw. 20Od gegeben, die aus den schwachen Eingangssignalen Signale mit hohen Spannungspegeln bilden. Um das Verhältnis Signal/Rauschen zu ver-

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bessern, werden die Signale mit hohem Spannungspegel jeweils auf Abstimmverstärker 201a, 201b, 201c bzw. 20Td gegeben. Die Ausgangssignale von den Abstimmverstärkern haben Sinuswellenform und werden auf Wellenformerschaltungen 202a, 202b, 202c und 202d gegeben, welche die Sinuswellen in Rechteckwellen umwandeln. Die Ausgangssignale mit Rechteckwellenform von den Wellenformerschaltungen 202a und 202b werden auf eine erste Zählerschaltung 203a für die Phasendifferenz gegeben, welche die Phasendifferenz zwischen dem einfallenden Lichtstrahl auf den fotoelektrischen Elementen 63 und 64 zählt. Die Ergebnisse dieser Zählung bilden Daten, die für die Ermittlung des Diopters auf die oben beschriebene Weise eingesetzt werden können. In ähnlicher Weise v/erden die Ausgangssignale mit Rechteckwellenform von den Wellenformerschaltungen 202c und 202d auf eine zweite Zählerschaltung 203b gegeben, welche die Phasendifferenz zwischen den einfallenden Strahlen auf den fotoelektrischen Elementen 61 und 62 zählt. Die Ergebnisse dieser Zählung bilden Daten, die für die Ermittlung des Wertes des Winkels der astigmatischen Achse auf die oben beschriebene Weise eingesetzt werden können.

Die von dem ersten bzw. zweiten Phasendifferenzzähler 203a und 203b erhaltenen Ergebnisse werden auf eine erste bzw. zweite Schaltung 302a bzw. 302b zur Bildung des Mittelwertes gegeben. Jede Schaltung zur Bildung des Mittelwertes empfängt mehrere Daten und bildet ihren Mittelwert. Diese Mittelwertbildung dient dazu, mögliche, aufgrund von Unregelmäßigkeiten bei den Daten auftretende Fehler so gering wie möglich zu machen. Die Zahl der Signale, deren Mittelwert durch dieses Verfahren gebildet wird, ist gleich der Zahl der spaltförmigen Strahlen, die zerhackt und von dem drehbaren Zylinder 33 zu dem Zeitpunkt abgetastet werden, in dem die Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls angehalten wird> denn wie bereits oben erwähnt wurde, wird diese Einrichtung 40 durch einen Schrittmotor 60 intermit-

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tierend gedreht. Je großer die Zahl der Signale ist, umso größer wird die Meßgenauigkeit. Eine geeignete Zahl wird in Abhängigkeit von der Rotationsfrequenz des drehbaren Zylinders 33 und der Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls sowie der Empfindlichkeitskennlinie der fotoelektrischen Elemente 61 bis 64 ausgewählt.

Die Phasendifferenzdaten, deren Mittelwert durch die erste Schaltung 302a gebildet worden ist, werden durch eine Umwandlungsschaltung 303 in Diopterwerte umgewandelt. Diese Umwandlung wird auf der Basis von Umwandlungstabellen oder Umwandlungsformeln durchgeführt. Eine adäquate Korrektur ist sogar dann gewährleistet, wenn die Beziehung zwischen dem Phasendifferenzsignal und dem Diopterwert nicht linear ist. Aus jedem von der ersten Schaltungsanordnung 302a für die Bildung des Mittelwertes gelieferten Ergebnis ermittelt die Ümwandlungseinrichtung 303 einen bestimmten Diopterwert. Dieser Wert zeigt die Abtastrichtung des spaltförmigen Lichtstrahls an, welcher der Winkellage der Einrichtung 40 zur Drehung des Strahls entspricht, d.h., des Diopters auf einem Schnitt in dieser Richtung. In ähnlicher Weise bilden die Phasendifferenzdaten, deren Mittelwert durch die zweite Schaltungsanordnung 302b gebildet wurde, Daten für die Feststellung des Winkels der astigmatischen Achse in der Abtastrichtung des spaltförmigen Strahls, welcher der Winkellage der Einrichtung 40 zur Drehung des Strahls entspricht.

Eine Einrichtung 304 zur Peststellung der meridionalen bzw. Schnittrichtung stellt die Winkellage der Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls, d.h., die Abtastrichtung des spaltförmigen Strahls, direkt aus der Einrichtung 40 zur Drehung des Strahls oder indirekt durch die Drehung des Schrittmotors 60 fest. Die von der Umwandlungseinrichtung 303 kommenden Daten für die Diopter-

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werte v/erden nacheinander in einem ersten Speicher 305a gespeichert. Gleichzeitig werden Daten für die Feststellung des Winkels der astigmatischen Achse nacheinander in einem zweiten Speicher 305b gespeichert. Nachdem die Daten für die Feststellung des Winkels der astigmatischen Achse über den gesamten, kontinuierlichen, 180° überstreichenden Winkelbereich gespeichert worden sind, liest die Einrichtung zur Feststellung des Winkels der astigmatischen Achse 306 die gespeicherten Daten für die Feststellung des Winkels der astigmatischen Achse aus, um einen Mittelwert zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert der Daten zu finden, wie oben beschrieben wurde. Die Feststelleinrichtung 306 ermittelt also als Winkel der astigmatischen Achse einen Winkel, der dem gefundenen Zwischenwert entspricht. Wie oben erwähnt wurde, ist es in diesem Fall auch möglich, den Winkel der astigmatischen Achse aus dem Winkel zu ermitteln, bei dem der Wert der Daten Null ist. Auf diese Weise werden im Bereich einer 180° überstreichenden Messung zwei Werte für den Winkel der astigmatischen Achse festgestellt. Im allgemeinen unterscheiden sich diese beiden Winkelwerte um 90° voneinander. Dadurch ergibt sich automatisch ein weiterer Winkel für die astigmatische Achse, indem 90° zu dem festgestellten Winkel für die astigmatische Achse addiert oder 90° von ihm subtrahiert werden. Diese beiden Feststellungssignale für den Winkel der astigmatischen Achse, die von der Schaltungsanordnung 306 erhalten werden, werden einer Einrichtung 307 für die Feststellung des Diopters zugeführt. Diese Einrichtung 307 für die Feststellung des Diopters wählt aus den Diopterwerten, die vorher nacheinander in dem ersten Speicher 305a gespeichert wurden, Diopterwerte aus, die den Winkelsxgnalen entsprechen. Damit können also zwei Diopterwerte erhalten werden, d.h., ein maximaler Wert und ein minimaler Wert, die den jeweiligen astigmatischen Achsen entsprechen.

Wenn das zu untersuchende Auge keinen Astigmatismus hat, haben die beiden Ausgangssignale von den fotoelektrischen

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Elementen 61 und 62 nahezu die gleiche Phase. Deshalb sind in diesem Falle alle Daten für die Feststellung des Winkels der astigmatisehen Achse Null, so daß der Winkel der astigmatischen Achse nicht festgestellt wird. Dadurch ermittelt die Einrichtung 307 zur Feststellung des Diopters einen Diopterwert innerhalb des 180° überstreichenden Meßbereiches oder den Mittelwert des Meßbereiches als phärischen Diopter des Auges. Die auf diese Weise festgestellten Diopterwerte werden in vorgegebener Darstellungsform mittels einer Anzeigeeinrichtung 308 angezeigt.

Um die Genauigkeit und Stabilität der Messung noch weiter zu verbessern, können in dem oben beschriebenen Signalverarbeitungssystem noch zusätzliche Einrichtungen 309 zur Feststellung des Biinkens vorgesehen werden. Eine solche Einrichtung zur Feststellung des Biinkens stellt eine Verzerrung bzw. Verzeichnung der Daten aufgrund eines Biinkens des Augens fest und kann beispielsweise parallel zu der ümwandlungseinrichtung 303 angeordnet werden. Wenn irgendeine Verzerrung der Daten durch diese Einrichtung zur Ermittlung des Biinkens festgestellt wird, wird der Betrieb der Umwandlungseinrichtung 303 eingehalten. Eine bestimmte Zeitspanne nach dieser Unterbrechung wird der Betrieb der Umwandlungseinrichtung wieder gestartet, wenn das Fehlen einer solchen Verzerrung bestätigt wird. Eine solche Einrichtung zur Feststellung des Biinkens bzw. Zitterns des Auges dient also nicht nur dazu, das durch das Blinken des Auges verursachte Rauschen zu eliminieren, sondern auch zur Eliminierung verschiedener anderer Rauschgrößen, die durch andere Faktoren verursacht werden.

Eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit kann dadurch erreicht werden, daß der Einrichtung zur Feststellung des Biinkens des Auges Signale von dem in vier Teile aufgeteilten fotoelektrischen Element 80 zugeführt v/erden, das auf der optischen Achse des Lichtempfangselementes 37 angeord-

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net ist, um auf diese Weise eine mögliche fehlerhafte Einstellung bzw. Justierung des Auges mit dem Augenrefraktometer festzustellen. Außerdem kann ein fünftes fotoelektrisches Element rund um den drehbaren Zylinder 33 oder an einer anderen geeigneten Lage vorgesehen werden, um eine stehende Streulichtkomponente aufzunehmen. Durch die Einführung dieser Streulichtkomponente, als Komponente mit entgegengesetzter Phase, in das Ausgangssignal des fotoelektrischen Elementes kann eine wesentliche Verringerung des Rauschanteils erreicht werden.

Wie in Fig. 13 dargestellt ist, können alle Schritte der Verarbeitung, die sich von der ersten und zweiten Einrichtung 302a und 302b für die Mittelwertbildung bis zu der Einrichtung 306 für die Feststellung des Astigmatismus und zur der Einrichtung 307 für die Feststellung des Diopters erstrecken, von einem Computer 300 gesteuert werden. Dadurch kann die Verarbeitung mit sehr hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit erfolgen. Wenn darüberhinaus die Computersteuerung auf die Umwandlung der von der Anzeigeeinrichtung 308 angezeigten Werte und die Datenausgabe erweitert wird, so läßt sich ein voll automatisches Augenrefraktometer erreichen. Außerdem kann die obige Ausführungsform in der Weise modifiziert werden, daß die Daten der Diopterwerte und des Winkels der astigmatischen Achse, die für jeden Meridian festgestellt werden, nacheinander aufgezeichnet werden, wie sie von der Umwandlungseinrichtung abgegeben werden; die Prüfperson kann dann aus den aufgezeichneten Daten die maximalen und minimalen Diopterwerte sowie die Achse des Astigmatismus des zu untersuchenden. Auges ablesen.

Obwohl bei der obigen Ausführungsform eine Einrichtung 40 zur Drehung des Strahls beschrieben und dargestellt worden ist, die intermittierend durch einen Schrittmotor 60 gedreht wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Denn eine solche Einrichtung zur

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Drehung des Lichtstrahls kann in gleicher VJeise auch kontinuierlich und mit gleichmäßiger Drehzahl gedreht werden. In diesem Fall entsprechen, exakt genommen, die Phasendifferenz-Ausgangssignale von dem ersten und zweiten Phasendifferenzdetektor 203a und 203b verschiedenen meridionalen Richtungen. Auch in diesem Fall können jedoch selbstverständlich Phasendifferenzdaten für alle meridionalen Richtungen erhalten werden, wenn man die von der ersten und zweiten Einrichtung 302a und 3.02b zur Bildung des Mittelwertes ermittelten Mittelwerte als Phasendifferenz in der meridionalen Richtung betrachtet, die den Mittelwinkel in einem kleinen Bereich der Drehbewegung der Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls während einer Zeitspanne bilden, in der mehrere Phasensignale von den Phasendifferenzdetektoren 203a und 203b abgegeben werden, d.h., während der Zeitspanne, in der mehrere Strahlen durch den drehbaren Zylinder 33 zerhackt werden.

Der hier beschriebene Aufbau des Augenrefraktometers nach der vorliegenden Erfindung hat viele Vorteile im Vergleich mit den herkömmlichen Augenrefraktometern.

Das Augenrefraktometer nach der vorliegenden Erfindung enthält nur zwei bewegliche Bauelemente, nämlich den drehbaren Zylinder und die Einrichtung zur Drehung des Lichtstrahls, so daß kein Servomechanismus benötigt wird. Deshalb hat dieses Augenrefraktometer einen einfachen Aufbau und eine geringe Gesamtgröße. Außerdem müssen sich die oben erwähnten drehbaren Elemente nicht hin- und herbewegen, sondern drehen sich immer nur in einer Richtung. Deshalb muß sich auch der hierzu benötigte Antrieb nur in einer einzigen Richtung drehen. Dies ist für die Beschleunigung der Messung sehr vorteilhaft. Die Zerhackgeschwindigkeit des spaltförmigen Strahls durch den drehbaren Zylinder kann bis zur Grenze der (Geschwindigkeits-)Empfindlichkeit der fotoelektrischen Elemente erhöht v/erden, so daß eine größere Zahl von Daten in einer bestimmten Zeit aufgenommen werden kann.

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Da getrennte fotoelektrische Elenente für die Feststellung der astigmatischen Achse und für die Feststellung des Diopters in dem Augenrefraktometer nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wird diese Feststellung kaum durch die Steuerung bzw. Einstellung des zu untersuchenden Auges beeinflußt. Die Verwendung eines Mittelwertes für die maximalen und minimalen Phasendifferenzsignale ermöglicht eine starke Verringerung des Einflusses der Rauschsignale auf die Messung, so daß die Meßgenauigkeit sehr hoch ist. Das Augenrefraktometer nach der vorliegenden Erfindung hat also ein wesentlich verbesserte Genauigkeit, obwohl eine solche Messung immer stabilitätsmindernde Faktoren beinhaltet, wie beispielsweise feine Bewegungen des zu untersuchenden Auges aus der Fixation.

Andererseits hat bei herkömmlichen Meßeinrichtungen dieses Typs der wesentliche Faktor des Rauschanteils immer darin gelegen, daß Streulicht im wesentlichen durch die Bewegung des optischen Elementes erzeugt wird, das das optische Meßsystera bildet, während bei dem Aufbau nach der vorliegenden Erfindung nur der drehbare Zylinder 33 und die Einrichtung 40 zur Drehung des Lichtstrahls gleichmäßig bei der Messung gedreht werden; diese Drehungen sind keine unregelmäßigen Bewegungen, so daß kein Streulicht und damit keine große Rauschkomponente erzeugt werden. Außerdem ist das optische System immer stationär, so daß das an der Kornea des zu untersuchenden Auges reflektierte Licht, welches das größte Hindernis bei der Messung darstellt, immer an einer vorgegebenen Stelle zwischen den beiden Lichtempfangselementen liegt; dadurch können die Reflexe bzw. die Uberstrahlung von der Kornea ausreichend entfernt bzw. unterdrückt werden.

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Leerseite

Claims

PAT E N TA N V/ A '-TE A. GRÜKECKER

CWL-tNG

H. KlNKELDEY

ORlNQ

W. STOCKMAlR

DR-ING · AaE(CALTECH

K. SCHUMANN

DR RER NAT. · DtPL-PHYS

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DR HÖINAT· DIPL-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 14 999

Nippon Kogaku K.K.
2-3 Marunouchi 3-chome
Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Augenrefraktometer Patentansprüche

1J Augenrefraktometer mit einem Strahlenteiler, mit einem in einem Strahlengang des Strahlenteilers angeordneten optischen Projektionssystem, um einen Lichtstrahl auf die Pupille eines zu untersuchenden Auges zu richten und dieses abzutasten, weiterhin mit einem optischen Kondensorsystern mit einer Kondensorlinse, die fest in dem anderen Strahlengang des Strahlenteilers vorgesehen ist, mit einer fest
hinter der Kondensorlinse vorgesehenen Blende und mit einem Lichtempfangselement, das fest weiter hinter der Blende
an einem zu der Kornea des Auges relativ zu der Kondensorlinse konjugierten Punkt vorgesehen ist, wobei das optische Kondensorsystem so angeordnet ist, daß es das an dem

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TELEFON (OBB) 02 28 62 TELEX OB-SBSSO TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

ORIGINAL INSPECTED

Augenhintergrund reflektierte Licht durch den Strahlenteiler auf das Lichtempfangselement konzentriert, weiterhin mit einer auf der Augenseite des Strahlenteilers angeordneten Einrichtung zur Drehung des Lichtstrahl, um den Lichtstrahl um die Mitte des Strahlengangs als seine Drehachse zu drehen, und mit einem Signalverarbextungssystem für die Verarbeitung der von dem Lichtempfangselement kommenden Signale, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangselement (37) zwei fotoelektrische Elemente(61, 62) für die Feststellung der astigmatischen Achse und zwei fotoelektrische Elemente (63, 64) für die Feststellung des Diopters aufweist, die auf der Lichtempfangsoberfläche des Elementes (37) außerhalb der optischen Achse der Kondensorlinse vorgesehen sind, und daß die beiden fotoelektrischen Elemente (61, 62) für die Feststellung der astigmatischen Achse auf einer geraden Linie vorgesehen sind, die senkrecht zur Abtastrichtung des durch das optische Projektionssystem projizierten Strahls verläuft, während die beiden fotoelektrischen Elemente (63, 64) für die Feststellung des Diopters auf einer Linie angeordnet sind, die in der Abtastrichtung verläuft.
2. Augenrefraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fotoelektrischen Elemente (61, 62) für die Feststellung der astigmatischen Achse, und die beiden fotoelektrischen Elemente (63, 64) für die Feststellung des Diopters symmetrisch relativ zur optischen Achse der Kondensorlinse angeordnet sind.
3. Augenrefraktometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungssystem erste und zweite Phasendifferenzdetektoren für die Feststellung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen von den beiden fotoelektrischen Elementen (61, 62) für die Feststellung der astigmatischen Achse und der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen von den beiden fotoelektri-

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sehen Elementen (63, 64) für die Feststellung des Diopters
aufweist.
4. Augenrefraktometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungssystem eine erste und zweite Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes (302a, 302b) zur
Erzeugung eines Signals für den Mittelwert der Signale von dem ersten Phasendifferenzdetektor bzw. eines Signals für
den Mittelwert der Signale von dem zweiten Phasendifferenzdetektor aufweist.
5. Augenrefraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das optische Projektionssystem projizierte Lichtstrahl ein spaltförmiger Strahl mit einem geradlinigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt
ist, daß der spaltförmige Strahl in einer Richtung abgetastet wird, die senkrecht zu der Längsrichtung des spaltförmigen Strahls ist, und daß die Blende (36) eine spaltförmige öffnung (36a) aufweist, die parallel zur Längsrichtung des
spaltförmigen Strahls verläuft.

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