DE4318221C2 - Gerät zur Messung der Konvergenzstellung der Augen beim Blick auf ein Bildschirmgerät - Google Patents

Description

1. Das technische Gebiet, dem die Erfindung zuzuordnen ist, ist die Augenoptik, denn es handelt sich um ein techni­ sches Meßgerät für die Konvergenzstellung der Augenachsen.

Ein optimales beidäugiges Sehen setzt voraus, daß ein fixierter Objektpunkt in beiden Augen auf die Netzhautstelle mit der höchsten Sehschärfe, nämlich auf das Zentrum der Fovea abgebildet wird. Je nach der Lage des Objektpunktes im Raum, sorgen die äußeren Augenmuskeln für eine entsprechende Drehung der Augen.

Eine solche bizentrale Ausrichtung der Augen (Abb. 1a) liegt jedoch nicht immer vor. Auch bei Personen mit normalem Binokularsehen können geringfügige Abweichungen des Konver­ genzwinkels von der optimalen Augenstellung auftreten, die typischerweise einige Winkelminuten betragen. Diese Abwei­ chung von der optimalen Konvergenzstellung wird als Konver­ genzfehler oder Fixationsdisparation bezeichnet (englisch "fixation disparity"). Doppeltsehen tritt dabei nicht auf, solange die Abweichungen innerhalb der sogenannten Panumbe­ reiche liegen. Man spricht von exophoren bzw. esophoren Konvergenzfehlern, wenn sich die Sehachsen hinter (Abb. 1b) bzw. vor (Abb. 1c) dem Fixationsobjekt schneiden. Entspre­ chend wird der Fixierpunkt temporal (Abb. 1b) bzw. nasal (Abb. 1c) relativ zur Fovea projiziert.

2. Nach dem bekannten Stand der augenoptischen Prüfver­ fahren wird der Konvergenzwinkel zwischen den Gesichtslinien der beiden Augen mit Hilfe von Noniuslinien gemessen, wie es in Abb. 1 dargestellt ist. Die Noniuslinien sind als offen gezeichnete senkrechte Balken auf der jeweiligen Gesichtsli­ nie dargestellt. Dabei werden zwei Noniuslinien haplosko­ pisch, d. h. den beiden Augen getrennt dargeboten, und zwar beispielsweise mit Hilfe von Polarisationsfolien vor den Augen und vor den Noniuslinien. Stehen die Nonius­ linien physikalisch übereinander und liegt bei der Seh­ testperson kein Konvergenzfehler vor, so werden die Nonius­ linien auch subjektiv übereinander wahrgenommen (Abb. 1a) Besteht aber ein Konvergenzfehler, so wird die Sehtestperson einen horizontalen Versatz zwischen den Noniuslinien wahr­ nehmen. Man kann nun zwei Meßverfahren unterscheiden. Einer­ seits lassen sich Prismen vor den Augen anordnen, so daß physikalisch koinzidente, aber zunächst versetzt wahrgenom­ mene Noniuslinien in subjektive Koinzidenz gebracht werden. Andererseits kann man ohne die Anwendung von Prismen die Noniuslinien horizontal zueinander verschieben, wie es in Abb. 1 dargestellt ist. So findet man einen horizontalen Abstand der Noniuslinien, bei dem die Sehtestperson beide Noniuslinien übereinander wahrnimmt, wie in der gestrichelt umrandeten Darstellung jeweils im unteren Teil der Abbildung angedeutet. Aus dem entsprechenden physikalischen Versatz läßt sich über geometrische Beziehungen der Betrag des Konvergenzfehlers, der sogenannte "Auswanderungswert", berechnen.

Auf der Grundlage dieses haploskopischen Noniusmeßprin­ zips wurden die folgenden Testgeräte entwickelt, die kommer­ ziell erhältlich sind und zum Teil in der augenoptischen Praxis angewendet werden.

Im deutschsprachigen Raum wird häufig das von H.-J. Haase entwickelte Polatestgerät (Zeiss, Oberkochen) verwendet. Bei dem darin enthaltenen "Kreuztest" (Abb. 2a) läßt sich mit den beiden haploskopisch gezeigten Balken der Kompensations­ wert bestimmen, d. h. dasjenige Prisma, das eine optimale Ausrichtung der Augen ohne Konvergenzfehler erbringt (Goersch, 1989; Brückner, 1989). Entsprechend der Konzeption dieses Tests wird den Augen kein zentraler Fusionsreiz dargeboten. Lediglich durch den Rahmen des Testgerätes besteht ein gewisser peripherer Fusionsreiz. Es gibt Testge­ räte für das Nahsehen (40 cm) und das Fernsehen (5 m).

In Großbritanien findet eher die von Mallett entwickelte sog. Mallett-unit (Pickwell, 1989) Verwendung (Keeler Ltd., London). Das Gerät ist für das Nahsehen (40 cm) konzipiert und enthält zwischen den beiden Noniuslinien die Zeichen "OXO" als zentrale Fusionsreize (siehe Abb. 2c). In der ursprünglichen Mallett-unit sind die Noniuslinien fest in koinzidenter Position dargeboten, so daß der Kompensa­ tionswert bestimmt werden kann. In einer Modifikation der Mallett-unit für Forschungszwecke (Yekta et al., 1987) lassen sich die Noniuslinien jedoch auch horizontal gegeneinander verschieben, bis die Sehtestperson beide Noniuslinien übereinander wahrnimmt und somit der Auswande­ rungswert bestimmt werden kann.

Dieses Prinzip ist auch im Disparometer (Sheedy and Sala­ din, 1983) verwirklicht, das in den USA eine gewisse Ver­ breitung gefunden hat (Vision Analysis, Walnut Creek CA, USA). Es wird der Versatz der Noniuslinien bestimmt, bei dem sie in Koinzidenz erscheinen (siehe Abb. 2b). Das Disparome­ ter enthält keinen zentralen Fusionsreiz und ist als Test für die Nähe (40 cm) und Ferne (4 m) erhältlich.

Die genannten augenoptischen Geräte eignen sich nicht für Konvergenzmessungen beim Blick auf Bildschirmgeräte. Für diesen Zweck ist bereits die Apparatur von Jaschinski-Kruza und Schubert-Alshuth (1992) bekannt. Dabei erschien der Fusionsreiz auf einem Bildschirm. Die Funktion der Noniusli­ nien wurde dabei von punktförmigen Leuchtdioden übernommen, die unabhängig vom Bildschirm montiert waren. Sie konnten mit einer motorgetriebenen Verschiebeeinrichtung horizontal bewegt werden und wurden mit Hilfe eines halbdurchlässigen Umlenkspiegels optisch mit dem Fusionsreiz überlagert.

3. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem lag darin, statt der mechanischen Vorrichtung von Jaschinski-Kruza und Schubert-Alshuth (1992) eine rein elektronische Vorrichtung zu finden, um sowohl den Fusionsreiz als auch die Nonius­ linien auf demselben Bildschirm darzubieten. Auf Bild­ schirmen ist mit gewöhnlichen programmtechnischen Mitteln nur eine Verschiebung von Zeichen in Schritten von einem Pixelabstand möglich. Da diese Schrittweite für genaue Konvergenzmessungen zu groß ist, war eine feinstufige Ver­ stellmöglichkeit für die Noniuslinien zu entwickeln.

Dieses Problem wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht einerseits in der Wahl einer monochromen Bildröhre, die im Gegensatz zu einer Farbbild­ röhre keine ein Bildschirmraster vorgegebene Lochmaske enthält, andererseits in einer besonderen Steuerschaltung ("Nonius Controller") mit einer programmierbaren Verzöge­ rungseinrichtung, die eine definierte Verschiebung von Bildpunkten um Bruchteile eines Pixelabstands ermöglicht. Hierdurch lassen sich alle erforderlichen Sehreize, also sowohl der zentrale Fusionsreiz als auch die in kleinen Schritten gegeneinander verschiebbaren Noniuslinien, gemein­ sam auf verschiedenen Teilbereichen eines einzigen Bild­ schirms darstellen.

Anspruch 2 ist auf eine vorteilhafte Ausführungsart der Verzögerungseinrichtung aus Anspruch 1 gerichtet.

4. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Abb. 1a-1c Darstellung zur Erläuterung von Konvergenz­ fehlern;

Abb. 2 Beispiele bekannter Sehtests zum Bestimmen von Konvergenzfehlern;

Abb. 3 das der Erfindung zugrundeliegende Meßprinzip;

Abb. 4 Beispiele für die Darstellung der Sehreize auf dem Bildschirm;

Abb. 5 eine grafische Darstellung zur Auswertung der Meßergebnisse;

Abb. 6 eine schematische Darstellung der verwendeten Gerätekonfiguration;

Abb. 7 ein schematisches Blockschaltbild der Steuer­ schaltung zum Verschieben der Noniuslinien ("Nonius Controller") der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Das bei der Erfindung verwendete Meßprinzip ist in Abb. 3 dargestellt.

Vor den beiden Augen trägt die Testperson Polarisations­ filter mit senkrecht zueinander stehender Orientierung. Die Sehtestperson beobachtet einen monochromen Bildschirm-Moni­ tor. In der mittleren Zeile des Bildschirms sind einige Buchstaben, in diesem Beispiel die Buchstaben OXO, darge­ stellt. Diese Zeichen werden von beiden Augen gesehen und dienen somit als Fusionsreiz. Oberhalb und unterhalb dieser Zeile ist der Bildschirm mit senkrecht zueinander orientier­ ten Polarisationsfiltern bedeckt, so daß die in diesen Bereichen gezeigten Noniuslinien jeweils nur für das rechte bzw. linke Auge sichtbar sind. Die Noniuslinien sind auf dem Bildschirm horizontal verschiebbar.

Die Fotografien in Abb. 4 zeigen einige Beispiele für die Ansicht der Noniuslinien auf dem Bildschirm mit verschiede­ nen horizontalen Abständen. Die Worte "F links" und "rechts J" stellen periphere Fusionsreize dar und sollen erläutern, daß die Sehtestperson die Tasten "F" bzw. "J" auf der PC- Tastatur drücken soll, wenn sie die obere Noniuslinie rechts bzw. links von der unteren Noniuslinie wahrgenommen hat.

Die Messung erfolgt mit einem psychophysischen "forced choice" Verfahren: Im Unterschied zu den in Abb. 2 beschrie­ benen Verfahren sind die Noniuslinien nicht ständig auf dem Bildschirm sichtbar, sondern blinken nur kurzzeitig für 100 ins auf. Es wird eine Folge von 20-30 dieser Kurzzeitdar­ bietungen gezeigt, mit einem Interstimulusinterval von ca. 3 s. Nach jedem Aufblinken entscheidet die Sehtestperson, ob die obere Noniuslinie rechts oder links von der unteren Noniuslinie zu sehen war. Mit dem adaptiven psychometrischen Verfahren Best-PEST (Lieberman and Pentland, 1982) wird der Versuchsablauf individuell gesteuert: der Noniuslinien­ versatz ist bei den meisten Darbietungen so gewählt, daß die Noniuslinien nahezu übereinander erscheinen. Das stati­ stische Verfahren der Probit-Analyse wird angewendet, um aus den Antworten (rechts oder links) denjenigen Nonius­ versatz zu errechnen, bei dem die Sehtestperson die Nonius­ linien übereinander wahrnahm. Daraus ergibt sich der Betrag des Konvergenzfehlers als 50%-Wert der psychometrischen Funktion, die in Abb. 5 in einem Beispiel dargestellt ist.

Dieses "forced-choice" Verfahren hat einen konzeptionel­ len Vorteil gegenüber dem üblicherweise angewendeten Ein­ stellverfahren (siehe unter 2.), bei dem die Sehtestperson selbst die permanent dargebotenen Noniuslinien einstellt. Das Einstellverfahren ergibt den mittleren Wert des Konver­ genzfehlers. Das "forced-choice" Verfahren erlaubt durch die Anwendung der Probit-Analyse und die Berechnung der Stan­ dardabweichung der psychometrischen Funktion eine Aussage über die zeitliche Variabilität der Konvergenz der Augen. Bei stabiler Konvergenzstellung der Augen ergibt sich eine steile psychometrische Funktion und eine kleine Standardab­ weichung s_D. Variiert jedoch die Konvergenzstellung der Augen im Laufe des Testzeitraumes, so schwankt der Punkt der subjektiven Koinzidenz der Noniuslinien und als Folge wird die psychometrische Funktion flacher und die Standardabwei­ chung größer.

So wie bisher beschrieben, entspricht diese Konvergenzmes­ sung dem Stand der Technik und ist beispielsweise be­ kannt aus DE 40 12 456 A1. Dazu sind prinzipiell sowohl Monochrom- als auch Farbbildschirme verwendbar, allerdings mit der Einschränkung, daß sich bei den bisher bekannten Vorrichtungen die Noniuslinien nur in Schritten von einem Pixelabstand verschieben ließen. Ein Pixelabstand von z. B. 0,3 mm entspricht einem Sehwinkel von ca. 2′ (bei einem Sehabstand von 50 cm), während Messungen der Konver­ genzfehler eine Darstellung der Noniuslinien in einem Raster von etwa 0,5′ erfordern.

Zur Erzielung dieser höheren Genauigkeit wurde eine neuartige Steuerschaltung entwickelt, die eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist. Mit dieser, im folgenden "Nonius-Controller" genannten Steuerschaltung werden die Videosignale des oberen und unteren Teilbildbereichs durch Verzögerungseinrichtungen zeitlich versetzt, so daß programmierbare Verschiebungen der Noniuslinien um eine wählbare Anzahl von Bruchteilen eines Pixelabstandes ermöglicht werden (Abb. 4). Dies ist nur mit Bildschirmen ohne Lochmaske realisierbar, bei denen die Positionierungsgenauigkeit lediglich von der Ansteuerung abhängt. Farbbildschirme mit Lochmasken sind nicht geeignet, weil deren Lochmasken eine Verschiebung um Bruchteile des Pixelabstandes verhindern. Mit der Erfindung sind alle erforderlichen Sehreize in verschiedenen Teilbereichen auf einem Bildschirm darstellbar, und eine programmierbare Verzögerungseinrichtung in Verbindung mit einer monochromen Bildröhre ermöglicht dabei eine gegenseitige Verschiebung der Noniuslinien um Bruchteile eines Pixelabstandes.

5. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung beste­ hen darin, daß die Konvergenz der Augen in typischen Sehbe­ dingungen eines Bildschirmgerätes, d. h. bezüglich Sehab­ stand, Kontrast und Schärfe des Fusionsreizes gemessen werden kann. Dies ist eine praxisnähere Testbedingung im Vergleich zu bisher benutzten Testverfahren. Die Sehbedin­ gungen lassen sich durch Umprogrammierung flexibel an die jeweiligen Erfordernisse anpassen.

Mit Hilfe des "Nonius-Controllers" lassen sich die Noniuslinien auf dem Sehtest-Monitor sehr feinstufig posi­ tionieren, und zwar mit einer Abstufung in Bruchteilen des Pixelabstands. Fusionsreiz und Noniuslinien werden auf ein und demselben Bildschirmgerät erzeugt.

Die elektronische Erzeugung der Noniuslinien erlaubt es, diese blinkend darzubieten und somit auf eine Folge von Noniuslinien mit verschiedenen Noniusabständen das "forced choice" Verfahren als psychophysikalische Methode anzu­ wenden. Die anschließende statistische Auswertung mit der Probit-Analyse gibt eine quantitative Information darüber, in welchem Maße die Konvergenz der Augen innerhalb der Testdauer zeitlich fluktuiert. Die bisherigen Verfahren, in denen die Noniuslinien stationär dargeboten wurden, erlauben solche Aussagen nicht.

6. Technische Realisierung
Die Gesamtkonfiguration der Vorrichtung ist schematisch in Abb. 6 dargestellt. Die Steuerung erfolgt mit einem IBM- kompatiblen Personal Computer, der mit dem üblichen Bild­ schirm bedient wird (Bediener-Monitor). Die Testdarbietung für die Versuchsperson geschieht auf einem zweiten Bild­ schirm (Test-Monitor), der über eine zweite Graphikkarte betrieben wird. Die erforderliche Verschiebung der Noniusli­ nien zur Messung der Konvergenzfehler erfolgt mit der Steu­ erschaltung im Zusatzgerät (Nonius-Controller), das vom Ablaufprogramm des PCs über eine Parallelschnittstelle gesteuert wird. Dieser "Nonius-Controller" wird zwischen einen Personal-Computer und den Sehtest-Monitor geschaltet und erlaubt durch die Programmsteuerung eine sehr feinstufi­ ge Verstellung der Noniuslinien im Raster von z. B. 0,13′ bei einem Sehabstand von 50 cm. Es stehen zwei Tasten zur Verfü­ gung, mit denen die Versuchsperson angibt, ob die obere Noniuslinie rechts oder links von der unteren wahrgenommen wurde. Diese Tasten werden vom PC abgefragt.

Zur Messung der Konvergenzfehler ist es erforderlich, die Noniuslinien gezielt um bestimmte Beträge zu verschieben, die kleiner als eine Pixelbreite sind. Diese Verschiebungen erfolgen immer symmetrisch zum Bildmittelpunkt, d. h. wenn sich der obere Punkt nach rechts verschoben hat, so muß sich der untere nach links verschieben, und umgekehrt (siehe Abb. 4). Die mittlere Zeichenzeile wird nicht verschoben, da sie den Fixationsreiz darstellt. Das Bild auf dem Testmoni­ tor teilt sich somit in drei Teilbereiche auf: der mittlere Bereich bleibt stationär, während der obere und der untere Bereich gegensätzlich um geringe Beträge verschoben dargebo­ ten werden müssen.

Das Blockschaltbild in Abb. 7 zeigt schematisch, wie ver­ schiedene Beträge der Verschiebungen im oberen und unteren Teilbild erzielt werden. Die Verschiebungen um Beträge von weniger als einer Pixelbreite werden dadurch erreicht, daß das Videosignal definierte Verzögerungsschaltungen durch­ läuft. Eine Verzögerung bewirkt eine Teilbildverschiebung nach rechts. Um eine Verschiebung nach links zu erreichen, wird durch die Graphikkarte ein weiter links liegendes Pixel programmiert und mit der Verzögerungsschaltung um einen entsprechenden kleineren Betrag nach rechts verschoben. Dadurch läßt sich jede Position der Noniuslinien im Raster von z. B. 1/16 einer Pixelbreite erzielen, wie in Abb. 4 gezeigt. Nach diesen Verschiebungen wird aus den drei Test­ bildern das resultierende Bild synchronisiert zusammenge­ setzt.

Literatur

Brückner, R. Die Korrektion von Heterophorien mit Fixations­ disparationen. Optometrie 1/89, 3-18 (1989)
Goersch, H. Fixationsdisparation erster und zweiter Art. (1989)
Jaschinski-Kruza, W. and Schubert-Alshuth, E. Variability of fixation disparity and accommodation when viewing a CRT visual display unit. Ophthal. Phys. Opt. 12, 411-419 (1992)
Lieberman, H.R. and Pentland, A.P. Microcomputer-based estimation of psychophysical thresholds: The Best PEST. Behav. Res. Meth. Inst. 14, 21-25 (1982)
Mallett, R.F.J. Fixation disparity - its genesis and relati­ on to asthenopia. Opthal. Optician 14, 1159-1168 (1974)
Pickwell, D. (Ed.) Evaluation of heterophoria. In: D. Pick­ well, Binocular vision anomalies, investigation and treat­ ment, pp. 29-43 (1989)
Sheedy, J.E. and Saladin, J.J. Validity of diagnostic crite ria and case analysis in binocular vision disorders. In: C.M. Schor, K.J. Ciuffreda (Eds.:) Vergence eye movements: Basic and clinical aspects, pp. 517-540, Butterworths (1983)
Yekta, A.A., Jenkins, T. and Pickwell, D. The clinical assessment of binocular vision before and after a working day. Ophthal. Physio. Opt. 7, 349-352 (1987)

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Messung der Konvergenzstellung der Augen mit Hilfe von zwei horizontal gegeneinander ver­ schiebbaren senkrechten Noniuslinien, die mit einer Einrichtung zur haploskopischen Bildtrennung den Augen getrennt dargeboten werden, und einem zentralen Fusions­ reiz, der von beiden Augen wahrnehmbar ist,

• - mit einer monochromen Kathodenstrahl-Bildröhre, auf deren Bildschirm in einem zentralen Bildbereich der zentrale Fusionsreiz und in einem oberen und einem unteren Bildbereich je eine der beiden Noniuslinien dargestellt wird,
• - mit einer Steuerschaltung zum Verschieben der Nonius­ linien, bestehend aus
• - einer Schaltungsanordnung zum Aufteilen eines Videosignals in drei Teilsignale, entsprechend dem oberen, dem zentralen und dem unteren Bildbereich,
• - einer programmierbaren Verzögerungseinrichtung, der mindestens die Teilsignale für den oberen und den unteren Bereich zugeführt werden, und die eine gegenseitige horizontale Verschiebung der beiden Noniuslinien um eine wählbare Anzahl von Bruch­ teilen eines Pixelabstands des Bildschirmrasters ermöglicht, und
• - einer Schaltungsanordnung zum bildsynchronen Zusammenfügen der drei resultierenden Teilsignale zu einem modifiziertem Videosignal, das der Bildröhre zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verzögerungseinrichtung Ketten von integrierten elektronischen Gattern mit definierten Laufzeiten enthält.