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Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen der
Topographie einer gekrümmten Oberfläche, enthaltend ein
Projektionsgerät zum Projizieren von Linienmustern auf die Oberfläche,
wobei das Projektionsgerät zwei unabhängige Lichtprojektoren
enthält, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind und
deren jeder eine optische Projektionsachse und ein Gitter mit
parallelen geraden Linien enthält, deren jedes in einem
rechten Winkel zur optischen Projektionsachse des betreffenden
Projektors angeordnet ist, und mit einer rechteckigen Blende,
deren lange Seiten parallel zu den Linien des Gitters sind,
und einer Erfassungseinrichtung zur Aufnahme eines auf der
gekrümmten Oberfläche gebildeten Bildes. Derartige Systeme
werden unter anderem im Falle des sog. Keratometers
eingesetzt, um die äußere Form des menschlichen Auges zu bestimmen,
insbesondere die Krümmung der äußeren Oberfläche der Hornhaut,
zum Beispiel zum Ausmessen für Kontaktlinsen und zur genauen
Bestimmung der Topographie der Hornhaut vor und nach einem
chirurgischen Eingriff.
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Solche Systeme können auch bei der Herstellung und Prüfung
gekrümmter Gegenstände verwendet werden.
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Mit den bekannten handelsüblichen Foto-Keratometern wird der
Krümmungsradius der Hornhaut lokal gemessen durch Vergleich
von auf der Grenzfläche zwischen Luft und Tränenflüssigkeit
gespiegelter Meßfiguren mit Testfiguren.
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In dieser Weise können Orte gleicher Steilheit abgebildet
werden. Bei der Interpretation solcher Aufnahmen können ohne
vorherige Kenntnis des Objekts Fehler nicht ausgesondert
werden. Es wird nur ein begrenzter Bereich der Hornhaut
vermessen.
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Unzweideutige Aufnahmen der Topographie der Hornhautoberfläche
lassen sich mit dem Keratometer des Typs erhalten, der in
einem Artikel von Tetsuo Kawara "Corneal topography using
moiré contour fringes" in Applied Optics, Vol 18, S. 3675-
3678 (Nov. 1979) beschrieben ist. Ein solches Keratometer
macht Gebrauch von Moiré-Konturlinien, welches Linien gleicher
Höhe sind. Zu diesem Zweck wird die reflektierende Oberfläche
der Hornhaut in eine perfekt diffus strahlende Oberfläche
transformiert, unter Applizierung eines Fluoreszein-Films, wie
es notwendig für die besagte Moiré-Technik ist. Die
fluoreszierende Licht des Fluoreszein-Films wird zur Bildung des
Bildes verwendet, während das anregende Licht (welches das Bild
durch Spiegelreflexion stören könnte) des Projektionsgerätes,
das aus einem einzigen Projektor besteht, ausgefiltert wird.
Tetsuo Kawara benutzte, um die von ihm beanspruchte
Genauigkeit für eine sphärische Oberfläche zu erzielen, ein Gitter
mit annähernd 12 Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm), und
hierdurch wurde, wegen einer Schmalspaltblende im
Projektionsgerät mit optischer Kompensation für den schrägen
Projektionswinkel relativ zur Sehachse des Keratometers und wegen einer
genügend kleinen Blende der Kamera mit der erforderlichen
Schärfentiefe, ein Bild auf dem Referenzgitter der Kamera
gebildet.
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Infolge des schrägen Projektionswinkels "sieht" die Kamera ein
überlagertes Muster eines projizierten, durch die konvexe
Hornhaut leicht deformierten Musters und des Referenzmusters.
Die Raumfrequenzschwebung zwischen den Gittern, die als
Interferenzerscheinung sichtbar wird, ist als Moiré bekannt. Dieses
Interferenzbild stellt Linien gleicher Höhe dar. Da bei dieser
Moiré-Anordnung ein Multiplikationskontrast erzielt wird,
können die Höhenlinien direkt aus den Photographien abgelesen
werden. Eine Umsetzung dieser Höhenlinien in drei meridionale
Profile liefert Information über den örtlichen Krümmungsradius
der Hornhaut.
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Eine ernsthafte allgemeine Einschränkung bei dem beschriebenen
Moiré-Projektionssystem besteht darin, daß einerseits genügend
Schärfentiefe erforderlich ist, wofür eine kleine Blende
benötigt wird, während andererseits das Höhenkonturintervall so
klein wie möglich sein muß, was nur durch ein Gitter mit einer
großen Anzahl von lp/mm erbracht werden kann. Das von Tetsuo
Kawara beschriebene System ist deswegen beugungsbegrenzt. Eine
höhere Auflösung läßt sich nur auf Kosten der Schärfentiefe
erzielen oder durch Vergrößerung des Projektionswinkels des
Gitters relativ zur optischen Achse der Kamera. Bei einer
geringen Schärfentiefe wird nicht die gesamte Hornhaut in
einer einzigen Belichtung abgebildet, und ein größerer
Projektionswinkel als ungefähr 18º führt zu einem Bild, das nicht
mehr visuell ausgewertet werden kann, wegen des Auftretens
optischer Artefakte. Im Falle des beschriebenen Instrumentes
werden die Höhenlinien am Ort des Referenzgitters abgebildet,
anstatt auf der aufzunehmenden Oberfläche zu liegen, was
bedeutet, daß die Flexibilität des Instrumentes hinsichtlich
Variationen des Bildmaßstabes und des Bildwinkels gering ist.
Das Vorzeichen der Steilheit ist nicht bekannt (aus vorheriger
Kenntnis wird "konvex" abgeleitet). Das Erzeugnis des
Keratometers von Tetsuo Kawara ist eine Fotografie. Ausgehend von
dieser muß die Umsetzung der so aufgezeichneten Höhenlinien in
örtliche Krümmungsradien, Exzentrizitäten, usw. durchgeführt
werden.
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Die Abhängigkeit, sehr feine Gitter benutzen zu müssen, um das
Moirékontur-Intervall (= Meßpunkt) begrenzt zu halten, könnte
im Prinzip beseitigt werden, wenn statt der
Intensitätsverteilung des Moirébildes die lokale Phase des projizierten Gitters
als Meßpunkt benutzt würde.
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Moiré-Höhenlinien einer Oberfläche eines Objektes werden
gebildet durch die relativen Phasen zwischen dem projizierten
Gitter und dem Referenzgitter. Die Höhenlinien verschieben
sich infolge einer Verschiebung eines der Gitter, mit dem
Ergebnis, daß eine kontinuierliche Phasenmessung an einem
Meßpunkt möglich ist. Die Intensitätsänderung ist dann ein Maß
der Phasenänderung. Die Meßempfindlichkeit und die Genauigkeit
sind dann viel größer. Da die Bewegungsvorrichtung des
bewegten Gitters bekannt ist, läßt sich das Vorzeichen der
Steilheit bestimmen. Im Falle des Keratometers ist es wegen
unvermeidlicher Augenbewegungen kaum möglich, eine solche
dynamische Messung durchzuführen.
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Zur Untersuchung der Oberflächen anderer Objekte wie zum
Beispiel Gebisse ist jedoch aus einem Artikel von F. H. M.
Jongsma u.a., "Real-time contouring of tooth imprints", in
SPIE, Vol. 492, S. 500-506, ECOOSA 1984, die Verwendung einer
Vorrichtung bekannt, in welcher zwei Interferenzmuster in
einem Winkel relativ zueinander mittels eines Interferometers
projiziert werden. Hierdurch werden im Raum, in dem sich die
beiden Lichtstrahlen schneiden, Ebenen erzeugt, die
rechtwinklig zur Winkelhalbierenden des Winkels sind und abwechselnd
diffus beleuchtet werden oder mehr oder weniger hoch
kontrastierende Linienmuster enthalten. Der Abstand zwischen diesen
parallelen Ebenen ist gleich und hängt ab vom Winkel zwischen
den Lichtstrahlen und vom Abstand zwischen den Linien im
projizierten Gittermuster. Wenn nun ein Objekt in diesen Raum
gebracht wird, schneidet es abwechselnd die diffus
beleuchteten Ebenen und die Ebenen mit den Bildern des Gittermusters.
Als Folge davon werden Schnittlinien auf dem Objekt sichtbar,
die eine konstante Höhendifferenz voneinander haben, wenn auch
infolge des Summierungseffektes der Kontrast der beiden
Intensitäten sehr gering ist. Um diese Höhenlinien sichtbar zu
machen, muß noch eine räumliche (optische) oder zeitliche
(elektronische) Filterung angewandt werden, etwa wie sie in
dem weiter oben erwähnten Artikel von Jongsma u.a. beschrieben
worden ist.
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Ein Nachteil von Moirébildern besteht darin, daß es nicht
möglich ist, auf andere Weise als aus vorheriger Kenntnis des
Objekts das Vorzeichen der Steilheit zu bestimmen. Eine
Methode zur Überwindung dieses Problems ist in der
Französischen
Patentanmeldung Nr. 2 292 213 vom 21. November 1974
beschrieben. Diese Patentanmeldung beschreibt ein Verfahren,
bei welchem zwei Moiréprojektionen miteinander verglichen
werden. Diese Moiréaufnahmen werden in einer solchen Weise
erzeugt, daß die Referenzebenen der zweiten Moiréanzeige über
eine Entfernung versetzt ist, die kleiner ist als die Hälfte
des Moirékonturabstandes. So werden Doppelkonturen mit
alternierenden kleinen und größeren Intervallen erzeugt. Die
Konturen werden mit einer Farbe indiziert, zum Beispiel durch
Verwendung eines gelben und eines blauen Gitters. Das Resultat
ist dann eine Farbaufnahme, worin die relativ kleinen
Konturintervalle gelb - blau oder blau - gelb sind. Die Information
des Vorzeichens der Steilheit ist in der Kombination von
Abstand und Farbe enthalten.
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Eine andere Form von Farbindizierung ist in der Deutschen
Patentanmeldung P 40 075 028 vom 9. März 1990 beschrieben.
Diese Patentanmeldung beschreibt, wie zwei Gitter
unterschiedlicher Farben aus verschiedenen Winkeln gleichzeitig auf das
Objekt projiziert werden. Die beiden Gitter können in dem
Erfassungssystem getrennt mit Hilfe eines farbtrennenden
Spiegels verarbeitet werden. Der Winkel und die Orientierung
der Steilheit relativ zum Sensor kann dann aus der örtlichen
Gitter-Raumfrequenz auf dem Objekt errechnet werden.
Wesentlich bei diesem System ist die mechanische Verkettung der
beiden in einer Ebene liegenden Gitter, so daß deren
Phasenrelation fest ist. Als Folge hiervon kann das Rauschen durch
Verschiebung der Gitter ausgemittelt werden, während die
Höhenkonturen ihre Position nicht ändern.
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Wenn eine eindeutige Information über die äußere Form der
feuchten und reflektierenden Oberfläche der Hornhaut gewünscht
ist, kann Gebrauch von der im Artikel von T. Kawara
beschriebenen Fluoreszenztechnik gemacht werden, um diese
reflektierende Oberfläche in einen Lambertschen Strahler umzuwandeln.
In diesen Fällen kann, wenn eine wohldefinierte Beleuchtung
vorhanden ist, die lokale Emission ausgerechnet werden. Um
einen Moirékontrast zu erhalten, kann die Projektionstechnik
angewandt werden, die aus einem Artikel von J. Wasowski,
"Moiré topographic maps" in Opt. Communications, Vol. 2, S.
321-323, 1970 bekannt ist, und zwar mittels eines Projektors
des von Kawara beschriebenen Typs. Wenn hierfür geeignete
Laser zur Verfügung stehen, ist es auch möglich, das von
Wasowksi beschriebene Interferometer als den Gittererzeuger zu
wählen, oder es kann ein anderes Interferenzsystem benutzt
werden.
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Die Erfindung zielt darauf, die oben erwähnten Probleme des
Standes der Technik zu überwinden. Dies geschieht gemäß der
Erfindung dadurch, daß das Projektionsgerät in jedem Projektor
eine Blitzlichtquelle enthält, die in ihrer Sequenz mit der
Erfassungseinrichtung synchronisiert ist, und daß die
Erfassungseinrichtung einen Einzelbild-Aufgreifer aufweist, um ein
projiziertes Gitter eines jeden Projektors in der besagten
Sequenz jeweils separat aufzunehmen, für eine digitale
Bildanalyse, um die Topographie der gekrümmten Oberfläche zu
erhalten. Hierdurch ist das System so realisiert, daß ein
additives Moirémuster erzeugt wird. In einer weiteren
Ausführungsform wird ein Pilotmonitor in Verbindung mit einem
elektronischen Filter vorgesehen, um dieses Moirémuster in
Realzeit sichtbar zu machen, wobei die Erfassungseinrichtung zur
Aufnahme des Bildes ohne Moiré-Interferenz ausgebildet ist,
geeignet zur diskreten Fourier-Analyse.
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Die Erfindung wird ausführlicher anhand eines Beispiels einer
Ausführungsform beschrieben, die schematisch in den
Zeichnungen dargestellt ist, worin
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Figur 1 schematisch ein System nach der Erfindung zeigt;
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Figur 2 die Projektion der Intensitätsfunktion durch das
Objekt c(x) auf die x-Achse zeigt;
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Figur 3 ein elektronisch realzeitgefiltertes Sucherbild zeigt;
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Figuren 4a, 4b und 4c ein komplettes Fernsehbild und die
getrennten Komponenten zeigen, aus denen es
zusammengesetzt
ist, den ersten Halbraster (Figur 4b) und den
zweiten Halbraster (Figur 4c);
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Figur 5 eine auf digitale Weise erhaltene Phasenrekonstruktion
einer Fernsehzeile zeigt und
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Figur 6 eine 2-D-Rekonstruktion eines Fernseh-Halbrasters
einer sphärischen Oberfläche zeigt.
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Wegen des Gewinns an Empfindlichkeit und Genauigkeit, der mit
der Phasendetektion erreicht werden kann, wurde ein
Rechenprogramm entwickelt, in welchem die örtliche Phase eines
projizierten Gitters auf der zu vermessenden Oberfläche relativ zu
einer Referenzebene errechnet wird, die in rechten Winkeln zur
optischen Achse des Sensors liegt. Da nun die Trägerwelle
selbst und nicht die Modulation der Trägerwelle die Basis zur
Extrahierung der Information bildet, ist es möglich, mit
relativ groben Gittern zu arbeiten, die entsprechend größere
Blenden erlauben. In dieser Weise wird es möglich, ohne zu
große Strahlenbelastung für das Auge eine hochauflösende
Fernsehkamera wie zum Beispiel eine CCD-Kamera zu verwenden,
die eine Realzeit-Digitalisierung der Bilder durch Verwendung
eines Einzelbild-Aufgreifers erlaubt.
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Die zu vermessende Hornhaut ist beweglich und kann nicht
festgehalten werden, so daß die Erfassungszeit sehr kurz sein muß
(kürzer als die Integrationszeit einer Fernsehkamera).
Außerdem kann ein Teil des Bildes durch örtliche Überbelichtung
infolge Reflexion an der Hornhaut verlorengehen.
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Diese Probleme können gelöst werden durch Gebrauch einer
Fernsehkamera ähnlich einer CCD-Kamera und zweier mit der Kamera
synchronisierter Blitzröhren, wie in Figur 1 angezeigt. Die
erste Röhre ist mit dem Ende der ersten Halbrasterperiode
synchronisiert, und die zweite mit dem Beginn des nächsten
Halbrasters. Die gesamte Integrationszeit ist nun auf die
Blitzzeiten und das Blitzintervall begrenzt. Da die beiden
Blitzbelichtungen ein unabhängiges Bild unabhängig voneinander
(jedoch in zeitlicher Verkettung) produzieren, kann ein Bild
die Information ergänzen, die in dem anderen Bild verloren
wurde, zum Beispiel infolge lokaler Störungen wie
unerwünschter Reflexionen, zu starker Defokussierung, usw.. Diese
Situation wird im Falle der beschriebenen Doppelblitztechnik
erreicht, bei der es zum Beispiel möglich ist, zuerst die
ungeradzahligen Fernsehzeilen und dann die geradzahligen
Zeilen zu analysieren.
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Das zur Verwendung bei der Erfindung gedachte System weist,
wie in Figur 1 gezeigt, zwei Projektoren 3 auf, die in einem
Winkel gegenüber der optischen Achse 1 einer Kamera 2
aufgestellt sind. Beide Projektoren enthalten ein Diapositiv oder
Gitter 4 mit einem Linienmuster von etwa fünf Linienpaaren pro
mm, wobei die Linien rechtwinklig zu der Ebene durch die
Projektionsachsen verlaufen. Wie oben beschrieben, werden
durch winkelversetzte Projektion der beiden Linienmuster
diffus beleuchtete Ebenen und Ebenen mit mehr oder weniger
hoch-kontrastierenden Rasterbildern abwechselnd in dem Raum 12
erzeugt, wo sich die beiden Lichtstrahlen kreuzen, und diese
Bilder erzeugen eine Höhenlinien- oder Konturkarte, wenn sie
von einem Objekt durchdrungen werden.
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Das zu untersuchende Auge wird mit Na-Fluoreszein in
Hypromellose-Bournonville (eingetragene Marke) behandelt, einer
Substanz, die auch als Ersatz für natürliche Tränenflüssigkeit im
Falle "trockener Augen" verwendet wird. Hypromellose dient als
Lösungsmittel für Na-Fluoreszein. Ein wenige Male
durchgeführtes Augenblinken bewirkt, daß das Na-Fluoreszein im Tränenfilm
adsorbiert wird, woraufhin die Aufnahme gemacht werden kann.
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Für genaue Messungen der Hornhautkonturen, wobei der
Flüssigkeitsfilm eine gleichmäßige Dicke haben muß, kann man Healon
(eingetragene Marke) verwenden, das ein niedriges
Molekulargewicht hat und in dem Na-Fluoreszein gelöst wird, wie
bekannt, zum Beispiel im Falle der Hornhautplastik mittels
Excimer-Lasern.
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Als Lichtquelle in den Projektoren werden Projektionslampen 5
verwendet. Um schnelle Augenbewegungen "einzufrieren", können
Blitzlampen 6 benutzt werden, die mit der Fernsehkamera
synchronisiert sind und dann vorübergehend die kontinuierlich
leuchtenden Lampen in den Projektoren ersetzen. Zwischen den
Lampen und den Dias sind Filter eingesetzt, welche die Wärme
der Lichtquelle reflektieren (7) und alle Farben außer
Blaugrün reflektieren (8), so daß die Strahlungsbelastung des
Auges auf diejenige des blaugrünen Erregungslichts begrenzt
ist. Zur Projektion des Gitters ist das Projektionsgerät mit
einem Projektionsobjektiv 10 versehen. In der Brennebene
dieses Projektionsobjekts auf der Seite, wo das Objekt liegt,
ist eine rechteckige Blende 9 angeordnet, deren längere Seiten
parallel zu den Linien des Gitters verlaufen. Die Apertur der
Blende entlang der schmalen Seite ist klein genug, um fünf
Linienpaare pro mm mit genügender Schärfentiefe zu
projizieren. Die relativ große Apertur der Blende entlang der langen
Seite trägt zur gewünschten Lichtintensität der
Höhenlinienkarte bei.
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Die Entfernungseinstellung erfolgt mittels eines Bildes auf
einem Pilotmonitor, auf dem nach Analogfilterung konzentrische
Ringe auf der Hornhaut erscheinen (Figur 3), wobei letztere
vollständig in der Abbildungstiefe des Hornhautbildes
abgebildet wird.
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Vor der Kamera ist ein gelbes Bandsperrfilter 11 angeordnet,
welches das blaue Anregungslicht blockiert und nur das gelb
emittierte Licht durchläßt.
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Das ungefilterte Moiré-Bild am Ort einer jeden CCD-Kamera
enthält Pixelinformation an den Raumkoordinaten x, y und z.
Mit Hilfe digitaler Bildverarbeitung ist es möglich, die Form
der Hornhaut im Detail sichtbar zu machen, zum Beispiel als
ein Axialschnitt oder als eine dreidimensionale Struktur. Um
sowohl eine hohe axiale als auch eine hohe laterale Auflösung
zu bekommen, wird das Ringmuster, wie es nach elektronischer
Analogfilterung erhalten wurde, nicht als Ausgangspunkt
verwendet, statt dessen wird das ungefilterte Fernsehbild
Fernsehzeile für Fernsehzeile analysiert
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Sobald das Instrument eingestellt ist, sorgt ein Einzelbild-
Aufgreifer für die Digitalisierung und die Übertragung des
Signals an den Monitor, der mit einem Rechner gekoppelt ist.
Dort wird das Signal Zeile für Zeile analysiert (Figur 4).
Dies erfolgt sowohl für die linksseitige Projektion als auch
für die rechtsseitige Projektion in der Berechnung,
möglicherweise gleichzeitig. In dieser Weise kann jede fehlende
Information in einem Bild durch das andere Bild ergänzt werden.
Dies gilt auch für Defokussierungseffekte, die im Falle der
beiden Projektionen links-rechts-entgegengesetzt sind.
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Eine Methode zum Analysieren von Signalen ist die Anwendung
der Fourier-Analyse. Eine Bedingung für diese Analyse ist, daß
das Signal nicht übermoduliert ist, wie es im Falle eines
Moirékontrastes unvermeidlich ist. Die aufgenommenen
Fernsehbilder können als phasenmoduliert angesehen werden, die Höhe
des zu vermessenden Objekts ist in der Phase des projizierten
Gitters moduliert.
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Die Figur 2 zeigt in einer eindimensionalen Weise, wie das
Gitter moduliert und projiziert wird, wobei :
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a(x) = senkrechte Linie zu p(x) durch den Ursprung
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{Z(x)} = Kollektion senkrechter Linien zu p(x) mit einem
Schnittpunkt mit c(x): β
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φ = Projektionswinkel
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p(x) = Achse der Intensitätsfunktion mit 0 als Ursprung
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α = Abstand zwischen α(x) und einer beliebigen Linie
von Z(x) darstellend den ursprünglichen
Phasenwinkel, produziert vom Raster
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β = Abszissenwert des Schnittpunktes mit c(x),
darstellend den nach Projektion herauskommenden
Phasenwinkel .
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Die Blendeneinstellung fährt vorbei an der ersten und nullten
Ordnung, mit der Folge, daß die Intensität charakterisiert
werden kann durch:
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i(α) = A sin (ω&sub0; α) + d , (1)
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wobei
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ω&sub0; : Rasterfunktion
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A : Amplitude
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d : Gleichstromverschiebung .
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Die projizierte modulierte Welle nimmt dann eine Gestalt
folgenden Typs an:
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i(β) = A sin [ω&sub0;{cos(φ) β + sin (φ) c(β)}] + d , (2)
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wobei
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c(β) = Höhe des Objektes, geschrieben als Funktion
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φ = Projektionswinkel .
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Merke, daß i(β) das mit der Kamera gemessene Bild ist.
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Die Phase, also die Höhe des Objektes, kann aus der
modulierten Wellenform i(β) mittels der Fourier-Transformierten
konstruiert werden. Im Prinzip sind zur Rekonstruktion der
Höhe die nachstehenden Schritte notwendig:
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I(ω) = F{i(β)} (3)
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Y(ω) = D{I(ω)} (4)
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y(β) = F&supmin;¹{Y(ω)} (5)
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T c(β) = arg(y(β)) T c(β) + k π = T c(β) k Z , (6)
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wobei
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T : konstanter Faktor
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F{ }: Fourier-Transformierte vorwärts
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F&supmin;¹{ } : Fourier-Transformierte rückwärts
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D{ } : Demodulations-Transformierte
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arg( ) : Argument/Phase einer komplexen Zahl/Reihe
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k : Konstante, Element von Z .
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Ein Datenverarbeitungssystem führt diese Operationen in
diskreter Form aus. Für die diskrete Fouriertransformation
gibt es eine sehr gute Methode, welche die Menge der
notwendigen Berechnungen reduziert. Dies ist die sogenannte schnelle
Fourier-Transformation (FFT). In Analogie zu der beschriebenen
eindimensionalen Analysierungstechnik besteht die Möglichkeit
der Ausführung einer zweidimensionalen Analyse. Da die
zweidimensionalen Fourier-Transformation aus zwei eindimensionalen
Transformationen besteht, die unabhängig voneinander
durchgeführt werden können, ist die gleiche Methode, wie sie in der
Formel (3), (4), (5) und (6) angeführt ist, anwendbar.
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Zum Bestimmen der Krümmungsradien eines demodulierten Bildes
ist es möglich, unter anderem elliptische oder polynome
Kurvenanpassung anzuwenden. Eine Methode hierfür ist zum
Beispiel Gaußsche Eliminierung. Exzentrizität, Astigmatismus
und dergleichen können aus diesen Anpassungen bestimmt oder
berechnet werden. Die Bestimmung der Anpassungen kann
ebenfalls in einer eindimensionalen oder einer zweidimensionalen
Weise durchgeführt werden. Für beides, das
Transformationsverfahren und das Anpassungsverfahren, ist die zweidimensionale
Methode genauer, weil im Prinzip alle vermessenen Bildpunkte
in Relation zueinander gebracht werden, was der Realität
entspricht. Meßfehler werden in dieser Weise auch wirksamer
ausgemittelt oder sogar eliminiert. Um weitere Verbesserungen
zu erzielen, werden digitale Filtertechniken erforderlich
sein.
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Für ein Beispiel der oben beschriebenen Verarbeitung wird auf
die Figuren 5 und 6 verwiesen, in denen eine digital erhaltene
Phasenrekonstruktion einer (Pilot-)Monitorzeile (Projektion
auf eine sphärische Oberfläche) und eine zweidimensionale
Rekonstruktion eines Fernseh-Halbrasters einer sphärischen
Oberfläche gezeigt sind. In der Figur 6 können die Konturen
nun mit jeweils gewünschten Intervallen justiert werden.
Details, etwa ein Defekt im Modell oben links, können so
sichtbar gemacht werden.
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Bei der oben erläuterten Technik ist die laterale horizontale
Auflösung durch die Bandbreite des Fernsehsystems oder durch
die Auflösung des Einzelbild-Aufgreifers bestimmt und nicht
mehr durch die Streifen des Moirémusters, das als
Schwebungsmuster per Definition eine viel niedrigere laterale Auflösung
hat. Die vertikale Auflösung ist durch die Anzahl der
Fernsehzeilen bestimmt. Neben seiner Verwendung als Keratometer kann
das System, wegen der fehlenden Notwendigkeit einer
Vorkenntnis des Objektes zum Bestimmen des Vorzeichens der Steilheit,
auch zum Bestimmen der dreidimensionalen Gestalt anderer
Objekte wie etwa Kontaktlinsen, Gebissen, Modellen und
industriellen Gegenständen hergerichtet werden. Vorteilhafterweise
kann das System so eingesetzt werden, daß mittels digitaler
Verarbeitung der bereits berechneten Höhenkonturen die
benötigte Information zum Beispiel für eine Optiker,
Kontaktlinsenfachmann, Augenarzt oder Techniker verfügbar wird.
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Das System nach der vorliegenden Erfindung kann benutzt werden
zum Bestimmen einer gekrümmten Oberfläche, wobei ein genaues
Höhenlinien- oder Konturmuster mit hoher lateraler Auflösung
die Basis zum Gewinnen der erforderlichen Daten ist, wie sie
zum Beispiel benötigt werden zum Anpassen von Kontaktlinsen
oder für die Chirurgie in der Augenmedia. Wenn das System als
Keratometer verwendet wird, kann eine Höhenlinienkarte auf der
Hornhaut geschaffen werden, umfassend die gesamte Hornhaut,
und die Erfassungseinrichtung kann auch in einer solchen Weise
ausgelegt werden, daß die gesamte Höhenlinienkarte in Realzeit
in digitaler Form für weitere Datenverarbeitung verfügbar ist,
mit dem Ergebnis, daß eine genaue Bestimmung der zentralen und
peripheren Krümmung der Hornhaut möglich wird.
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Dies wird erreicht durch die Tatsache, daß das oben
beschriebene System eine Projektionseinrichtung enthält, die mit zwei,
in einem Winkel zueinander angeordneten Projektoren versehen
ist, deren jeder rechtwinklig zur Ebene durch die
Projektionsachsen positioniert ist, und mit einer rechteckigen Blende,
deren lange Seiten parallel zu den Linien des Gitters sind.
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Durch die Verwendung dieser Projektoren können diffus
beleuchtete Ebenen und Ebenen mit mehr oder weniger
hoch-kontrastierenden
Gitterbildern erhalten werden, die, wenn sie von einem
Objekt durchdrungen werden, eine hoch-kontrastierende
Moirékontur oder Höhenlinienkarte nach analoger oder digitaler
Verarbeitung des Signals ergeben.
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Eine für das zu untersuchende Auge akzeptierbare
Strahlenbelastung wird erhalten durch Verwendung einer relativ großen
Blendenapertur von der Detektorseite her, sogar wenn man das
benötigte blaugrüne Anregungslicht verwendet.
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Der Winkel, unter dem die Projektion stattfindet, hängt von
der Steilheit oder Krümmung der zu untersuchenden Oberfläche
ab. Durch die Natur der Datenverarbeitung sind wesentlich
größere Projektionswinkel als im Falle direkter Bildung von
Moirébildern möglich, während der Empfindlichkeitsgewinn im
Vergleich zu dem direkten Moiréesystem auch sehr kleine Winkel
wirksam sein läßt. Im Falle des Keratometers wird ein
Realzeit-Moirébild mit Hilfe eines analogen elektronischen
Filters geschaffen, für ein Einstell- und Sucherbild.
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Außerdem, insbesondere im Falle von Keratometern, ist die für
das Sucherbild benutzte Lichtquelle eine Lampe mit
spaltförmigern Glühfaden oder spaltförmiger Gasentladung, die in
vertikaler Orientierung auf die vertikale spaltförmige Blende des
Projektors projiziert wird. Um die thermische Belastung des
Projektionsgerätes zu minimieren und um die Lichtbelastung des
Auges niedrig zu halten, werden relativ grobe Gitter
projiziert, die noch mit genügender Schärfentiefe projiziert werden
können, wenn die Blendenapertur groß ist. Die
Erfassungseinrichtung kann so ausgebildet sein, daß die Bildung der
Höhenlinienkarte nur kurze Zeit dauert, mit dem Ergebnis, daß
mögliche Augenbewegungen während der Belichtung keinen
nachteiligen Einfluß auf die Qualität der Aufnahme haben.
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Durch Spiegelreflexionen an der Oberfläche des Objektes können
Differenzen in den Intensitäten der beiden Gitterbilder
auftreten, mit der Folge, daß die Ableitung der Phasenhöhe der
Gitter aus der örtlichen Intensität gefährdet wird, was auch
für die Bildung der Höhenlinienkarte gilt.
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Das Vorsehen einer fluoreszierenden Schicht am Objekt
verhindert Spiegeireflexionen im Falle dieser Methode. Verwendet
wird eine Gleichlichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge
abstrahlt, das eine Emission in einer dem Objekt appuzierten
fluoreszierenden Substanz hervorruft. Eine hierzu geeignete
Substanz ist Na-Fluoreszein, dessen optimale
Anregungswellenlänge je nach dem Lösungsmittel 460 bis 510 nm (Blaugrün)
beträgt und dessen Emissionswellenlänge 520 - 560 nm (Gelb)
beträgt. Das Projektionsgerät wird mit einem Filter
ausgestattet, welches nur das Licht der Anregungswellenlänge durchläßt,
und im Erfassungssystem befindet sich ein Filter, das Licht
nur der Emissionwellenlänge durchläßt. Die störenden Einflüsse
als Resultat von Reflexionen des Anregungslichts werden durch
dieses letztgenannte Filter entfernt. Im Falle der
Ausführungsform als Keratometer können die Sehachse und die optische
Achse des Keratometers wie folgt ausgerichtet werden. Die zu
untersuchende Person wird gebeten, das Auge auf eine
Lichtquelle zu fixieren, deren optische Achse mit der optischen
Achse des Instrumentes zusammenfällt. Die Bedienungsperson des
Keratometers sorgt dann dafür, daß diese vom Auge reflektierte
Lichtquelle in das Zentrum des Bildes geht.