DE4401541A1

DE4401541A1 - Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer reflektierenden Oberfläche

Info

Publication number: DE4401541A1
Application number: DE4401541A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Prof Dr Med Jean; Thomas Dr Rer Nat Bende
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1994-07-28
Also published as: KR100260464B1; DE59403877D1; DE4325494A1; KR960700022A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer reflektierenden Oberfläche nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 14.

Derartige Verfahren sind insbesondere bei der Vermessung der Augenhornhaut basierend auf einem Moir´ Musterprojektionsverfahren unter der Bezeichnung Videokeratometrie bekannt. Hierunter versteht man die Projektion der sogenannten Placidoscheibe, d. h. eines Musters aus konzentrischen alternierend schwarzen und weißen Ringen, auf die menschliche Augenhornhaut. Die Reflexionen von der Hornhautoberfläche werden hierbei von einer Videokamera zur rechnerischen Verarbeitung aufgenommen. Von besonderem Interesse sind hierbei die Abstände oder Verformungen der Struktur des Reflexionsmusters im Vergleich mit einem Meßnormal.

Im Falle der Vermessung einer Augenhornhaut besteht das Meßnormal in einer bekannten Oberfläche, die für eine korrekte Auswertung/Bewertung der Hornhautoberfläche benötigt wird. Die Analyse der genannten Abweichungen vom Meßnormal liefert Aussagen über den Krümmungsradius der Hornhaut sowie über Abweichungen von einer sphärischen Oberfläche, wie sie bei einem Astigmatismus vorhanden sind.

Bekannte Druckschriften zu einem solchen Verfahren sind beispielsweise die US 4 978 213, US 4 863 260 und US 4 772 115.

Die Zuordnung des Reflexionsmusters zu den eingeblendeten Projektionsringen stellt sich bei diesem Verfahren häufig als schwieriges und nicht selten mit Fehlern behaftendes Unterfangen dar. Die Schwierigkeit bei dieser Zuordnung sind besonders groß, wenn es infolge einer defekten Hornhautoberfläche zu Lücken im Reflexionsmuster eines ursprünglich in sich geschlossenen, auf die Hornhaut projizierten Rings kommt. Durch die falsche Zuordnung nicht zusammengehöriger Strukturen eines Reflexionsmusters zu einem bestimmten eingeblendeten Projektionsring ergeben sich gravierende Folgefehler, beispielsweise in Form einer falschen Bestimmung des Hornhautradius oder in Form einer falschen Bestimmung der Abweichungen der Hornhautoberfläche von der gewünschten Kugelfläche.

Außer der Einblendung eines ringförmigen Projektionsmusters ist auch die Verwendung eines gitterförmigen Linienmusters bekannt geworden. Hierdurch können jedoch die oben genannten Nachteile nicht behoben werden.

Die bislang bekannten Verfahren sind zudem äußerst empfindlich gegen Dejustierungen des Auges in der Z-Achse, d. h. in der Verbindungsachse zwischen Hornhautapex und der Bilderfassungseinheit.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer reflektierenden Oberfläche und insbesondere der Augenhornhaut vorzuschlagen, bei dem eine eindeutige und zuverlässige Zuordnung der Strukturen des von der Oberfläche reflektierten Reflexionsmusters zu denen des eingeblendeten Projektionsmusters gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen werden zudem vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.

Eine eindeutige Zuordnung zwischen Reflexionsmuster und Projektionsmuster wird gemäß Anspruch 1 durch eine dynamischen Projektion des Projektionsmusters ermöglicht. Man verwendet hierzu wenigstens eine bewegliche, möglichst punktförmige Lichtquelle. Mit diesem Lichtpunkt rastert man gewissermaßen das gewünschte punktförmige, linienförmige und/oder flächige Projektionsmuster auf der Oberfläche ab.

Um ein ringförmiges Projektonsmuster mit variablen Radien hierbei zu erhalten, wird vorzugsweise ein Rotationsarm verwendet, auf dem eine verschiebbare Leuchtdiode angebracht ist.

Es wäre jedoch auch ein Rotationsarm denkbar, der teilweise oder vollständig mit mehreren Lichtquellen, z. B. mit einem Diodenarray, belegt ist. Selbstverständlich wäre auch eine entsprechend bewegliche Lochblende mit Hintergrundbeleuchtung verwendbar.

Eine wie oben ausgeführte bewegliche Lichtquelle ermöglicht nun verschiedene Meßmethoden. So kann zum einen der Detektor synchron zur Winkelposition des Rotationsarms getaktet betrieben werden. Bei einem derartigen Taktbetrieb kann durch die zeitliche Zuordnung zu jedem Reflexionssignal unmittelbar der zugehörige, zum jeweiligen Zeitpunkt am jeweiligen Ort erzeugte Leuchtpunkt im Projektionsmuster ermittelt werden.

Eine andere Meßmethode mit beispielsweise ringförmigem und dynamisch erstelltem Projektionsmuster kann auch mit längeren Meßzeiten des Detektors verwirklicht werden. Folgt die Lichtquelle einer kreisförmigen Umlaufbahn und wird gleichzeitig die Meßzeit des Bilddetektors für das Reflexionsmuster länger als eine volle Umlaufzeit gewählt, so bildet eine Umlaufbahn der Lichtquelle einen Ring innerhalb des Projektionsmusters, der eindeutig dem entsprechenden Reflexionsmuster zuzuordnen ist. Bei ausgeschaltetem Detektor kann die Lichtquelle anschließend radial verstellt werden, um in der eben beschriebenen Weise den nächsten Meßvorgang mit einem neuen Projektionsring größeren oder kleineren Durchmessers vorzunehmen.

Vorteilhafterweise wird eine farbige und in ihrer Farbe variable Lichtquelle, z. B. eine entsprechende Leuchtdiode, verwendet. Hierdurch wird zusätzlich zu der Möglichkeit, die Abstände und die Helligkeit der Projektionsstrukturen zu verändern, eine weitere Variationsmöglichkeit gegeben. So kann durch eine Steuerung der, beispielsweise aus Rotationsarm und verschiebbarer Leuchtdiode bestehenden, Projektionseinheit für die jeweilige Untersuchungssituation die günstigste Anordnung von Farben und Abständen ermittelt und der Beleuchtungsvorgang dergestalt optimiert werden, daß der Auswertevorgang größtmögliche Eindeutigkeit für die Oberflächentopometrie zuläßt.

Vorzugsweise wird ein Bilddetektor in Form einer farbempfindlichen Farbkamera verwendet. Es wäre jedoch ebenso die Verwendung einer schwarz/weiß Kamera in Verbindung mit entsprechenden Farbfiltern denkbar. In diesem Fall würden die Messung der einzelnen Farbstrukturen, wie Farbringe oder dgl., nacheinander mit entsprechendem Filterwechsel durchgeführt.

Vorteilhafterweise wird das Reflexionssignal von der zu vermessenden Oberfläche, beispielsweise der Hornhautoberfläche, integral in seiner Intensität gemessen. Dies dient zur Kompensation von Schwankungen der Umgebungsbeleuchtung, die zufällig verteilt sind, und sich auf diese Weise gegenseitig aufwiegen.

Besonders empfehlenswert ist es, die Signalverarbeitung automatisch in einer prozessorgesteuerten Auswerteeinheit mit Ausgabemonitor durchzuführen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Ergebnisse hierbei in Form von Isorefraktionslinien ausgegeben. Hiermit sind diejenigen Bereiche der Oberfläche gemeint, die im Verlaufe der beschriebenen Messung die gleiche Brechkraft aufweisen. Somit sind die Abweichungen vom Meßnormal auf der Oberfläche direkt und ohne die Notwendigkeit einer weiteren Interpretation der Meßdaten sichtbar. Zur unmittelbaren Unterscheidung zwischen rechnerisch, beispielsweise mittels Interpolation, ermittelter Bildpunkte von gemessenen Werten kann eine unterschiedliche Darstellungsweise, beispielsweise transparent im Gegensatz zu opak, gewählt werden.

Mit einer derart automatisierten Auswerteeinheit ist zudem eine aktive Steuerung der Projektionseinheit möglich. Dies bedeutet, daß sämtliche Parameter der Projektionseinheit mit den jeweiligen Ergebnissen der Auswerteeinheit im Hinblick auf eine größtmögliche Eindeutigkeit der Oberflächentopometrie automatisch oder interaktiv optimiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer reflektierenden Oberfläche ist in vielfältigen, nahezu beliebigen technischen Anwendungsbereichen verwendbar. In einer speziellen Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer Augenhornhaut angewandt.

Besonders wichtig bei dem genannten Verfahren ist die Justage der zu bestimmenden Oberfläche in bezug auf die Bilderfassungseinheit in Z-Richtung. Die Abbildungseigenschaften der gesamten Anordnung hängen empfindlich von diesem Abstand ab. Die Justage in Richtung der Z-Achse wird vorzugsweise durch die Einblendung wenigstens zweier Zentrierungsobjekte im Projektionsmuster mit einem bestimmten Winkel zwischen ihren Einblendachsen durchgeführt. Der Schnittpunkt beider Einblendachsen gibt hierbei die gewünschte korrekte Z-Position wieder. Eine Verschiebung dieser Position in Z-Richtung wird bei einer derartigen Anordnung durch eine laterale Verschiebung der reflektierten Bilder der beiden Zentrierungsobjekte in Relation zueinander widergespiegelt.

Auch ohne korrekte Justage der Z-Position kann der hierdurch auftretende Fehler mittels der so ermittelten Abweichungen von der Soll-Position rechnerisch im Auswerteverfahren korrigiert werden.

Im Falle einer medizinischen Anwendung, insbesondere zur Bestimmung der Oberflächentopologie der Augenhornhautoberfläche kann eine Meßvorrichtung die nach dem genannten Verfahren arbeitet, direkt an ein Operationsmikroskop angekoppelt werden, wodurch der operierende Arzt direkt in die Lage versetzt ist, Hornhautbereiche mit Abweichung von der gewünschten sphärischen Geometrie zu erkennen und unmittelbar entsprechend zu behandeln.

Durch die Verwendung einer hochauflösenden Kamera in Verbindung mit einer entsprechenden Zoomoptik kann diese Technik auch zur Messung mit einer Auflösung im Mikrometerbereich durchgeführt werden. Somit ist die Messung kleinster Veränderungen in der Rauhigkeit innerhalb kleinerer Oberflächensegmente der Hornhaut möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie die zu lösenden Schwierigkeiten bei der Zuordnung zwischen Projektionsmuster und Reflexionsmuster werden in der nachfolgenden Zeichnung verdeutlicht und anhand der einzelnen Figuren im folgenden näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 das Reflexionsmuster von einem aus mehreren konzentrischen Ringen bestehenden Projektionsmuster im Falle einer gesunden, d. h. mit sphärischer Oberfläche versehener, Hornhaut;

Fig. 2 ein Beispiel eines vergleichbaren Reflexionsmusters im Falle einer von der sphärischen Form abweichenden Hornhaut;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des entsprechenden Aufbaus zur dynamischen Projektion eines Projektionsmusters;

Fig. 4 eine Vergrößerung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit dynamischer Projektionseinheit in der Draufsicht in Blickrichtung P gemäß Fig. 4 und die

Fig. 5-7 die Bilder zweier Zentrierungsobjekte bei unterschiedlicher Stellung der Hornhaut in Richtung der Z-Achse bezüglich des Bilddetektors.

In Fig. 1 ist schematisch das Bild eines Auges 1 mit mandelförmigen Umriß 2 dargestellt, wie es von einem Bilderfassungssystem der oben beschriebener Art erfaßt wird. Im Innern der Umrißlinie 2 ist der Umriß der Hornhaut 3 eingezeichnet. Konzentrisch zur Z-Achse (Kamera - Hornhautapex) Hornhaut und somit zum Sehzentrum sind verschiedene Reflexionsringe 4 bis 10 gezeigt. Im Innern dieser Ringe befinden sich zwei Zentrierungsobjekte, auf die weiter unten näher eingegangen wird. Die Ringe 4 bis 10 entsprechen in ihrem Abstand sowie in ihrer konzentrischen und kreisförmigen Anordnung dem reflektierten Bild von einer gesunden Hornhaut mit sphärischen Oberfläche.

Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 2 das entsprechende Bild bei deformierter Hornhaut, d. h. im Falle eines vorliegenden Astigmatismus. Die Strukturen 4′ bis 8′ stellen ebenfalls ein Reflexionsmuster von absolut konzentrischen und kreisförmigen Projektionsringen dar. Ihr Bild wird durch eine nicht sphärische Hornhautoberfläche deformiert. Teilweise weisen die Bilder 5, 6′ der entsprechenden und ursprünglichen geschlossenen Projektionsringe sogar Lücken 13, 14 bzw. 13′, 14′ auf, während andere Strukturen 7′, 8′ starke Einbuchtungen 15, 16 zeigen. Bei einer normalen statischen schwarz/weiß Aufnahme, wie sie anders in der Zeichnung nicht darstellbar ist, wäre nun der Bereich 15 der Struktur 7′ nicht eindeutig einem entsprechenden Projektionsring zuzuordnen. Dieser Bereich 15 könnte den Projektionsringen zuzuordnen sein, die bei gesunder Hornhaut (s. Fig. 1) die Reflexionsringe 5, 6 oder 7 ergeben. Entsprechend der Unsicherheit bei dieser Zuordnung ist die aus der Interpretation dieser Daten resultierende Oberflächentopologie unweigerlich mit Fehlern behaftet.

Erfindungsgemäß werden jedoch die Ringe 4 bis 10 bzw. die Strukturen 4′ bis 8′ durch eine dynamische Einstrahlung des Projektionsmusters erzeugt. Einzelne Strukturen des Musters, d. h.: Punkte, Linien oder eben auch die genannten Ringe, werden zu verschiedenen Zeiten erzeugt, wobei die entstehenden Reflexionsstrukturen zeitlich aufgelöst erfaßt werden. Somit ist auch im Falle eines stark deformierten Reflexionsbildes (s. Fig. 2) eine eindeutige Zuordnung möglich.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel mit dynamischer Projektion des Projektionsmusters. Von einer vergrößert dargestellten Lichtquelle 27 auf einem Rotationsarm 28 fällt ein Lichtstrahl 29 auf die Hornhaut 3. Der an der Hornhaut reflektierte Lichtstrahl 29′ wird wiederum durch eine Lochblende 25 einer Kamera 26 zugeführt. Die Lichtquelle 27 ist in Richtung des Doppelpfeils r radial am Rotationsarm 28 verschiebbar.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht in Richtung des Pfeils P in Fig. 4 auf die genannte Anordnung. Die Lichtquelle 27 ist in Form einer Diode 30 gegeben. Durch ihre drei verschieden schraffierten Segmente 31 bis 33 wird angedeutet, daß es sich um eine dreifarbige Diode handelt. Diese Diode 30 ist wie oben angeführt radial (Richtung r) verschiebbar. Der Rotationsarm 28 ist um eine Drehachse 34, die koaxial zur Lochblende 25 vor der nicht dargestellten Kamera liegt, drehbar (s. Doppelpfeil R).

Die Diode 30 kann von einer nicht dargestellten Auswerteeinheit sowohl hinsichtlich ihrer Leuchtdauer, ihrer Leuchtfarbe, ihrer Intensität als auch ihrer Position in radialer Richtung auf dem Rotationsarm 28 gesteuert werden.

Die Zentrierungsobjekte 11, 12, die zur Erzeugung der Bilder in der Fig. 5 bis 7 unter einem bestimmten Winkel zwischen ihren Einblendachsen in einer Ebene, in der auch die Z-Achse liegt, eingeblendet werden, weisen entsprechend der Position der Hornhaut auf der Z-Achse bezüglich des Schnittpunktes der Einblendachsen eine unterschiedliche Orientierung zueinander auf. In den Fig. 5 bis 7 werden die Bilder der Zentrierungsobjekte gezeigt, wobei sich die Hornhautoberfläche 3 einmal vor diesem Schnittpunkt, einmal genau im Schnittpunkt und einmal hinter dem Schnittpunkt befindet. Durch die Anordnung der Bilder dieser Zentrierungsobjekte 11, 12 kann die Z-Position der Hornhaut 3 ermittelt und für die Auswertung verwendet werden.

1 Auge
2 Umriß
3 Hornhaut
4 Ring
5 Ring
6 Ring
7 Ring
8 Ring
9 Ring
10 Ring
11 Zentrierobjekt
12 Zentrierobjekt
13 Lücke
14 Lücke
15 Einbuchtung
16 Einbuchtung
25 Lochblende
26 Bilddetektor
27 Lichtquelle
28 Rotationsarm
29 Lichtstrahl
30 Diode
31 Segment
32 Segment
33 Segment
34 Drehachse

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer reflektierenden Oberfläche, wobei ein Projektionsmuster auf die Oberfläche projiziert wird und ein von den zugehörigen Reflexionen auf der Oberfläche gebildetes Reflexionsmuster erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsmuster auf dynamische Weise durch wenigstens eine bewegliche Lichtquelle 27 erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine auf einem Rotationsarm 28 verschiebbare Lichtquelle 30 verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein an seiner zur zu bestimmenden Oberfläche hinweisenden Seite teilweise oder ganz mit mehreren Lichtquellen belegter Rotationsarm 28 verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Bilddetektor 26 synchron zur Drehstellung R des Rotationsarm 28 getaktet betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzeit des Bilddetektors 26 länger als eine volle Umdrehungszeit des Rotationsarms 28 beträgt, so daß bei feststehender Stellung in radialer Richtung r der Lichtquelle 27 auf dem Rotationsarm 28 ein vollständiger Projektionsring gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß eine in ihrer Farbe variable Lichtquelle 27 verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor eine farbempfindliche Kamera 26 verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine schwarz/weiß Kamera in Verbindung mit einem oder mehreren entsprechenden Farbfiltern verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine integrale Intensitätsmessung der Reflexionsstrukturen zur Kompensation von Schwankungen der Umgebungsbeleuchtung durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung der Ausgangssignale des Bilddetektors 26 automatisch in einer prozessorgesteuerten Auswerteeinheit durchgeführt wird, wobei auf einem Ausgabemonitor Isorefraktionslinien der vermessenen Oberfläche dargestellt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Auswerteeinheit eine aktiven Steuerung zur Optimierung des Projektionsmusters im Hinblick auf eine eindeutige Oberflächentopometrie durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentopometrie einer Augenhornhaut bestimmt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Position der zu vermessenden Oberfläche entlang der Z-Achse, d. h. entlang der Verlängerung der Achse des Bilddetektors, durch die Einblendung wenigstens zweier Zentrierungsobjekte 11, 12 mit einem Winkel zwischen ihren Einblendachsen erfaßt wird, wobei der Schnittpunkt beider Einblendachsen die korrekte Z-Stellung angibt.

14. Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächentopometrie einer reflektierenden Oberfläche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinheit mit einer beweglichen Lichtquelle zur dynamischen Erzeugung eines Projektionsmusters versehen ist.