DE3102450A1 - Vorrichtung zum messen eines augenbrechungsfehlers - Google Patents

Description

ASAHI KOGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokyo , Japan

Vorrichtung zum Messen eines Augenbrechungsfehlers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Brechungsfehlers eines menschlichen Auges.

Der Brechungsfehler eines menschlichen Auges wird durch die Brechkraft einer Brillenlinse bezeichnet, die dazu verwendet wird, um die abnorme Brechung des Auges zu korrigieren, womit genauer gesagt, der sphärische Korrekturfaktor, der Zylinderkorrekturfaktor und die Zylinderachsenfehler bezeichnet werden.

Es sind verschiedene Brechungsfehler-Meßvorrichtungen bekannt, von denen eine in der US-PS 3 888 569 oder der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 52893/1979 beschrieben ist. Bei den herkömmlichen Vorrichtungen wird das Abbild einer Mustervorlage auf das zu prüfende Auge mit Hilfe eines optischen Systems projiziert, und der Zustand des optischen Systems, bei welchem die Abbildung der Mustervorlage auf der Netzhaut des Auges am schärfsten dargestellt ist, wird festgestellt, so daß mit dieser Hilfe der Brechungsfehler des Auges gemessen werden kann. Im Falle eines astigmatischen Auges schwankt der Brechungsfehler abhängig von der Messungslängsrichtung. Es werden deshalb mit herkömmlichen Vorrichtungen Brechungsfehler in wenigstens drei Längsrichtungen gemessen, und die Brechungsfehler (sphärischer Faktor, Zylinderfaktor und Zylinderachsenfehler) werden durch Berechnung aus diesen Meßdaten gewonnen. Um die Messung in mehreren Längsrichtungen (drei oder mehr) auszuführen, wird gemäß der Vorrichtung nach der US-PS 3 888 569 die Mustervorlage gedreht, damit sie sich in verschiedenen Meßlängsrichtungen befindet,

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und es werden die entsprechenden Brechungsfaktoren in den verschiedenen Meßlängsrichtungen nach der Zeitmultiplex-Methode gemessen. Die Vorrichtung nach der US-PS 3 888 569 ist deswegen mit Nachteilen behaftet, weil die Durchführung aller dieser Messungen relativ lange dauert.

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wurde gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 52 893/1979 vorgeschlagen, mehrere Mustervorlagen für das Messen in verschiedenen Längsrichtungen zu verwenden, so daß die Messung in allen Längsrichtungen gleichzeitig vorgenommen werden kann. Hierbei ist jedoch die Schwierigkeit zu lösen, daß bei der praktischen Ausführung einer Brechungsfehler-Meßvorrichtung ein hinreichend großes Signal/Rausch-Verhältnis erhalten werden muß, denn die von der Netzhaut reflektierte Helligkeit ist äußerst gering, und die Messung wird durch von der Hornhaut und durch das optische System reflektiertes Licht unterbrochen. In der US-PS 3 888 569 ist dieses Problem dadurch gelöst, daß die Mustervorlage selbst abgetastet wird, um dadurch das Signallicht vom Störlicht aufgrund ihrer Frequenzen zu trennen. Es ist jedoch sehr schwer, das durch die US-PS 3 888 569 vorgeschlagene Verfahren bei der Technik gemäß der japanischen Patentanmeldung Nr. 52 893/1979 anzuwenden. Dadurch bleibt der Nachteil, daß ein ausreichend hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis nicht erhalten werden kann, weiter bestehen.

Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Augenbrechungsfehler-Meßvorrichtung zu schaffen, mit der gleichzeitig in mehreren Längsrichtungen die Brechkraft so gemessen werden kann, daß ein hinreichend hohes Signalzu-Rausch-Verhältnis gewährleistet ist, so daß dann die gewünschten Messungen mit hoher Genauigkeit in kurzer Zeit durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Augenbrechungsfehler-Meßvorrichtung gelöst, die eine verschiebbare Mustervorlage

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aufweist, die in einer vorbestimmten Richtung in einer senkrecht auf der optischen Achse der Meßvorrichtung stehenden Ebene verschiebbar ist, die ein optisches System enthält, durch das das Abbild der verschiebbaren Mustervorlage auf die Netzhaut des zu untersuchenden Auges projiziert wird, und die Mittel zum Messen des Brechungsfehlers des Auges aus der Stellung bzw. dem Zustand des optischen Systems bei der Position aufweist, in der das auf die Netzhaut projezierte Abbild die höchste Schärfe hat, d. h. für die Stellung, in der das Abbild auf die Netzhaut des Auges scharf gestellt ist. Die verschiebbare Mustervorlage weist zu dem Zweck zahlreiche Streifenmuster auf, wobei jedes Muster aus parallelen Streifen besteht und die Streifen zwischen den Mustern mit zueinander verschiedenen Winkeln orientiert sind. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Mustervorlage drei verschiedene Muster auf, deren Orientierungswinkel sich relativ zueinander um 60 unterscheiden. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt die Vorlage zwei Muster mit Streifen, wobei diese beiden Muster aufeinander senkrecht stehen.

Nachfolgend wird eine ins einzelne gehende Erläuterung der Erfindung anhand von Darstellungen in der Zeichnung gegeben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild von der Anordnung des optischen Systems, welches sich zur Durchführung der Erfindung eignet;

Fig. 2A bis 2C Schaubilder einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brechungsfehler-Meßvorrichtung, wobei in der Fig. 2A das aufgestreckte Diagramm eines Teils einer in der Vorrichtung verwendeten Abtast-Mustervorlage, Fig. 2B eine Draufsicht einer feststehenden Mustervorlage, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 2A verwendet wird, und 2C einen Schnitt, der die relative Stellung zwischen feststehender Mustervorlage und Licht empfangenden Element wiedergibt, zeigen;

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Fig. 3A bis 3C Schaubilder eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, entsprechend den Darstellungen der Figuren 2A bis 2C;

Fig. 4 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Detektorsignal-Verarbeitungssystems gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 gezeigte optische System eignet sich besonders zur Durchführung der Erfindung. Von einer Lichtquelle 1 wird über eine Kondensorlinse 2 durch eine Abtast-Muster-vorlage 3 das Licht auf einen Strahlteiler 4 geworfen. Ein Teil des auf den Strahlteiler 4 gelangenden Lichtes wird von diesem reflektiert und durch eine Kollimatorlinse 5, eine Relaislinse 6 und ein Okular 7 in das zu untersuchende Auge E gelenkt. Der in das Auge E eindringende Lichtstrahl wird von der Netzhaut reflektiert und durchläuft die obengenannten Linsen in umgekehrter Richtung bis zum Strahlteiler 4. Ein Teil der so zurückgekehrten Lichtstrahlen setzt sich geradlinig fort und erreicht durch eine feststehende Mustervorlage 8 hindurch ein Lichtempfängerelement 9. Die Abtast-Mustervorlage 3 und die feststehende Mustervorlage 8 haben vom Lichtstrahlteiler 4 gleichen Abstand und befinden sich im hinteren Brennpunkt der Kollimatorlinse 5. (Die räumlichen Beziehungen "hinten" und "vorne" sowie "vor" und "hinter" beziehen sich auf die Position des zu untersuchenden Auges.) Die Relaislinse ist entlang der optischen Achse vor und zurück verschiebbar.

In dem so aufgebauten optischen System formt der Lichtstrahl,

der die AbtaSt— Mncf-nr-irn-rl ³CT⁰ ^"»*nVi1 anfon Via+- τ m vni*i1oron

Brennpunkt der Relaislinse ein Abbild der Abtastmustervorlage 3 und bildet dieses Abbild nahe der Netzhaut des Auges unter Zuhilfenahme der Brechwirkung des Okulars 7 und des Auges E aus. Es wird angenommen, daß die Relaislinse 6 aus einer Stellung nahe dem Okular 7 zur Kollimatorlinse 5 hin verschoben wird. Bei dieser Verschiebung ändert sich das vom Okular 7 weiterlaufende Strahlenbündel

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von der Form eines divergierenden Strahlenbündels über ein paralleles Strahlenbündel bis zu einem konvergierenden Strahlenbündel. Folglich befindet sich anfangs die Stellung, in der das Abbild der Abtast-Mustervorlage 3 erzeugt wird, hinter der Netzhaut. Es nähert sich jedoch allmählich der Netzhaut und wird schließlich in eine Position verschoben, die vor der Netzhaut liegt. Während dieses Vorgangs muß der Zustand eintreten, daß das Abbild der Abtast-Vorlage 3 genau auf der Netzhaut zu liegen kommt (nachfolgend als "Scharfeinstellzustand" bezeichnet). Bei diesem Scharfeinstellzustand befinden sich die Netzhaut und die Abtast-Mustervorlage 3 sowie die Netzhaut und die feststehende Mustervorlage 8 zueinander in einer konjugierten Positionsbeziehung.

Ein spezielles Beispiel der Augenbrechungsfehler-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung wird nun auch mit Bezug auf die vorstehend beschriebene Anordnung des optischen Systems erläutert.

Die Abtast-Mustervorlage 3 ist auf der Seite eines sich drehenden Zylinders angebracht. Das Muster, das in Fig. 2 gezeigt ist, ist in drei Bereiche unterteilt, nämlich einen rechts liegenden Bereich, einen mittleren Bereich und einen linken Bereich, entlang der Achsrichtung des sich drehenden Zylinders. Die Schlitze des rechten, des mittleren und des linken Bereichs sind unter bestimmten Winkeln von 30 , 90 und 150 gegenüber der Drehrichtung des Zylinders angeordnet. Das Muster der feststehenden Mustervorlage 8 ist gleich dem der Abtast-Mustervorlage 3, was durch die Fig. 2B verdeutlicht wird. Wie Fig. 2C zeigt, befinden sich Lichtempfängerelemente 9-1, 9-2 und 9-3 hinter der feststehenden Mustervorlage 8, so daß sie durch das Muster hindurchtretendes Licht feststellen können.

Die oben beschriebenen Mustervorlagen werden an die gekennzeichneten Stellen in dem anhand der Fig. 1 beschriebenen optischen System eingesetzt, und der Zylinder mit der Abtast-

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Mustervorlage 3 wird mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils in Fig. 2A gedreht. Beim Scharfeinstelizustand wird dann die feststehende Mustervorlage mit dem Abbild der Abtast-Mustervorlage 3, welches ein Muster mit hellen und dunklen Streifen ist, überstrichen oder abgetastet. Bei diesem Betriebszustand wechselt die Lichtintensität, mit der das Licht auf die Lichtempfängerelemente 9-1, 9-2 und 9-3 durch die Bereiche der feststehenden Mustervorlage 9 hindurch auftrifft, mit bestimmten Frequenzen. Die Amplituden der Intensitätsschwankungen sind am größten, wenn Scharfeinstellzustand herrscht. Entfernt man sich von diesem Scharfeinstellzustand, dann wird das Streifenmuster, das auf die feststehende Mustervorlage 8 auftrifft, unscharf oder verwaschen, so daß die Amplitude der Intensitätsschwankungen abnimmt. Die beschriebene Kombination der Abtast-Mustervorlage und der feststehenden Mustervorlage besitzt die Eigenart, daß der Zustand der Unscharfe in einer Richtung senkrecht zu den Schlitzen am empfindlichsten festgestellt wird. Es werden deshalb mit dieser Vorrichtung die Brechkräfte in den Längsrichtungen von 30°, 90° und 150° durch die Muster im rechten, mittleren bzw. linken Bereich gemessen.

Was nun den Brechungsfehler angeht, so wird die sphärische Brechkraft S, die zylindrische Brechkraft C, der Zylinderachsenwinkel θ und die Brechkraft R bei einem Meßlängswinkel α folgendermaßen zueinander in Beziehung gesetzt:

2
R = S + C sin (Θ - α) .

Wenn drei Gruppen von Meßdaten bei bestimmtem Meßlängswinkel und bestimmter Brechkraft R ermittelt werden, läßt sich der Brechungsfehler nach obiger Formel bestimmen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Messung so vorgenommen v/erden, daß die Relaislinse nur einmal zurück und vorwärts verschoben wird. Sie hat also den Vorteil,

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daß die Messung in kurzer Zeit durchgeführt werden kann.

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird nun anhand der Figuren 1 und 3 beschrieben. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der in Fig. 1 mit gestricheltem Rahmen 10 umgebene Teil (nachfolgend als "Lichtdurchlaß- und Empfangsabschnitt" bezeichnet) so gestaltet, daß er als Ganzes mit einem Elektromotor um die optische Achse gedreht werden kann. Fig. 3A zeigt einen Teil des Musters der Abtast-Mustervorlage 3, Fig. 3B das Muster der feststehenden Vorlage 8 und Fig. 3C einen Querschnitt, aus dem die relative Lage zwischen feststehender Mustervorlage 8 und dem Lichtempfangselement hervorgeht. Die Abtast-Mustervorlage 3 ist in zwei Zonen, nämlich eine linke und eine rechte, unterteilt. Die Schlitze der rechten Zone sind mit gleichen Abständen zueinander unter einem Winkel von 45 , die der linken Zone unter einem Winkel von 135 gegenüber der Drehrichtung des Zylinders angeordnet. Wie im ersten Fall ist das Muster der feststehenden Mustervorlage 8 dem der Abtast-Mustervorlage 3 gleich. Hinter der feststehenden Mustervorlage 8 sind zwei Lichtempfangseleir.ente 9--1 und 9-2 für den rechten bzw. linken Bereich des Musters angeordnet.

Mit dieser Anordnung können Brechungskräfte in zwei senkrecht zueinander stehenden Längsrichtungen gleichzeitig gemessen werden. Zunächst wird die Relaislinse 6 derart verschoben, daß für eine der zu messenden Längsrichtungen im wesentlichen Scharfeinstellzustand herrscht. Dann wird der Licht durchlassende und aufnehmende Abschnitt um die optische Achse gedreht, bis die Amplitude des auf das Licht empfangende Element auftreffenden Lichtes ein Maximum wird. Dies ist der Zustand, bei welchem der zu messende Längswinkel mit dem Zylinderachsenwinkel zusammenfällt oder auf ihm senkrecht steht. Anschließend wird

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die Relaislinse rückwärts und wieder vorwärts verschoben, um die Brechungskräfte in Bezug zu den zwei Meßlängsrichtungen zu ermitteln. Das heißt, nachdem der Zylinderachsenwinkel θ eingestellt ist, werden die Brechungskräfte in den beiden orthogonalen Längsrichtungen erhalten. Dieses Verfahren hat besondere Vorteile, da die Zylinderbrechungskomponente C des Brechungsfehlers als Differenz zwischen zwei Brechkräften erhalten wird, und die sphärische Brechkraf tkomponente S läßt sich aus einer der Brechkräfte durch ganz einfachen Rechenvorgang ermitteln.

Wenn bei der Anordnung nach der zweiten Ausführungsform zunächst die Brechkräfte in zwei Längsrichtungen bei einem optischen Winkel und dann die Brechkräfte in zwei anderen Längsrichtungen gemessen werden, v/obei der Licht durchlassende und empfangende Abschnitt beispielsweise um 45° gedreht ist, so daß die Brechkraftdaten von insgesamt vier Meßlängsrichtungen erhalten werden, dann kann der Brechungsfehler durch dieselbe Berechnung wie beim ersten Ausführungsbeispiel ermittelt werden unter Verwendung von drei der vier Brechkraftdatenpunkte. Wenn für diesen Fall ein Durchschnittswert des so ermittelten Brechungsfehlers gewonnen und damit der Brechungsfehler aus der Kombination mit den anderen Daten erhalten wird, kann die Genauigkeit der Messung noch sehr vorteilhaft gesteigert werden.

Es soll nun eine Signalverarbeitungseinrichtung beschrieben werden, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist. Die Einrichtung nach Fig. 4 ist lediglich für ein Licht empfangendes Element wiedergegeben. Dasselbe System ist jedoch ebenfalls für das andere Licht empfangende Element anwendbar.

Das Feststellausgangssignal des Licht empfangenden Elementes 9, ein Strom aufgrund des Lichteinfalls, wird durch

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einen Vorverstärker 21 in ein Spannungssignal umgesetzt. Das Spannungssignal gelangt auf ein Bandpaßfilter 22, das nur Bestandteile des Signals in einem bestimmten Frequenzbereich passieren läßt. Das so behandelte Signal wird in ein Gleichspannungssignal umgewandelt, das proportional der Amplitude ist, was mit Hilfe eines Gleichrichterkreises 23 erfolgt. Anschließend erfolgt die Umsetzung des Gleichspannungssignals in ein Digitalsignal in einem Analog/Digital-Wandler 24, der sein Ausgangssignal an einen Microprocessor 25 abgibt. Die Bandmittenfrequenz des Bandpaßfilters 22 ist auf die Frequenz eines empfangenen Lichtmengensignals eingestellt, das bei Scharfeinstellbedingung im optischen System auftritt.

Bei der Kombination der so aufgebauten Signalverarbeitungseinrichtung und dem beschriebenen optischen System werden Störsignalkomponenten im empfangenen Licht aufgrund der Reflexion an der Hornhautoberfläche des untersuchten Auges und den Oberflächen der Bauteile des optischen Systems durch das Bandpaßfilter 22 eliminiert, so daß sie auf das Meßergebnis keinen störenden Einfluß mehr haben können.

Die obige Beschreibung läßt erkennen, daß Brechkräfte in mehreren Längsrichtungen gleichzeitig gemessen werden können, ohne daß von der Hornhautoberfläche des Auges reflektiertes Licht einen Einfluß hat. Die erfindungsgemäße Brechungsfehler-Meßvorrichtung liefert also in kurzer Zeit Meßergebnisse von hoher Genauigkeit.

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Claims (6)

1. 34498/9

   ASAHI KOGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokyo / Japan

   Vorrichtung zum Messen eines Augenbrechungsfehlers

   PATENTANSPRÜCHE

   Vorrichtung zum Messen eines Augenbrechungsfehlers, gekennzeichnet durch eine in einer bestimmten Richtung in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse der Meßvorrichtung verschiebbare 2-'ustervorlage (3) , die mehrere Streifenmuster aufweist, deren Streifen zueinander verschiedene Winkelstellungen einnehmen, ein optisches Systein (4, 5, 6, 7) zum Projizieren der Abbildung der Mustervorlage (3) auf die Netzhaut eines zu untersuchenden Auges (E) und Mittel (8, 9) zum Messen der Brechkraft des Auges aus dem Zustand des optischen Systems,bei welchem die auf die Netzhaut projizierte Abbildung ihre höchste Schärfe erreicht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustervorlage (3) drei verschiedene Streifenmuster enthält, die jeweils zueinander unter einem Winkel von 6G
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mustervorlage (3) zwei aufeinander senkrecht stehende, verschiedene Streifenmuster aufweist.

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4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Lichtquelle (1), eine Kondensorlinse (2), einen Lichtstrahlteiler (4), der das Licht durch die Kondensorlinse

   (2) von der Lichtquelle (1) erhält, eine das Licht von einer Seite des Lichtstrahlteilers (4) zugeführt bekommende Kollimatorlinse (5), eine mit dem Licht von der Kollimatorlinse (5) beaufschlagte Relaislinse (6) und eine Okuiarlinse (7) aufweist, auf die das Licht von der Relaislinse

   (6) auftrifft und die das Licht auf das zu untersuchende Auge (E) richtet.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine feststehende Mustervorlage (8) mit einem mit dem Muster der verschiebbaren Mustervorlage

   (3) übereinstimmenden Muster im Lichtpfad der zweiten Abgabeseite des Strahlteilers (4) sowie Lichtstrahlempfänger,, die durch die feststehende Mustervorlage; (8) hindurchtretendes Licht aufnehmen, aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen das Ausgangssignal der Licht empfangenden Einrichtung (9) aufnehmenden Vorverstärker (21), ein diesem nachgeschaltetes Bandpaßfilter (22), im Anschluß daran einen Gleichrichter (23) mit nachgeschaltetem Analog/-Digital-Wandler (24) und einen dessen Digitalausgangssignale aufnehmenden Microprocessor aufweist.

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