DE69427923T2

DE69427923T2 - System und verfahren zur abtastung des augenhintergrundes

Info

Publication number: DE69427923T2
Application number: DE69427923T
Authority: DE
Inventors: Robert B. Hill; Joel C. Johnson
Original assignee: EDI of Louisiana Inc
Current assignee: EDI of Louisiana Inc
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2014-12-13
Also published as: EP0734220A1; DE69427923D1; CA2179195A1; EP0734220B1; US5532771A; KR100343864B1; AU1338695A; JPH09509076A; ATE203879T1; CN1143311A; BR9408338A; WO1995016386A1

Description

Technischer Bereich

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Abtastsysteme und im Besonderen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten des Augenhintergrundes eines Individuums, um durch Augenreflektion ein für das Individuum einzigartiges Identifizierungsmuster zur erhalten.

Hintergrund der Erfindung

Es gibt bereits bekannte Vorrichtungen und Verfahren zur Identifizierung von Individuen durch Abtasten ihrer Netzhautgefäßanordnungsmuster. Die US 4,109,237, veröffentlicht am 22. August 1978, und die US 4,393,366 veröffentlicht am 12. Juli 1983, beschreiben die Verwendung eines rotierenden optischen Abtaststrahls, um ein Identifizierungsmuster des Augenhintergrundes zu erhalten. Der frühere Scanner setzte grünes Licht für den Abtaststrahl ein, wohingegen der spätere, verbesserte Scanner infrarote ("IR") Strahlung zum Detektieren der Gefäßanordnung der Augenaderhaut einsetzte. Die Aderhautgefäßanordnung bildet ein Geflecht hinter der Netzhaut, die das Gebiet um die Macula und die Fovea, wo die Netzhautblutgefäße sehr klein oder nicht existent sind, einschließt. Die Blutgefäße der Aderhaut sind beständig, ebenso wie die der Netzhaut, und können somit dazu verwendet werden, Daten bezüglich der Identität eines Individuums zu erhalten. Da die Scanner jedoch Daten von einem ringförmigen Bereich, der um den optischen Nerv zentriert ist, erhalten, sind die resultierenden Identifikationsmuster sehr empfindlich gegenüber Neigungen des Kopfes.
Die US 4,620,318 veröffentlicht am 28. Oktober 1986, beschreibt eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Identifikation von Individuen durch das vom Augenhintergrund reflektierte Augenleuchtmuster. Ein Fixierungsstrahl wird entlang der Sehachse des Auges bereitgestellt, und ein Scanner erhält ein Identifizierungsmuster von einem im wesentlichen ringförmigen, um die Fovea zentrierten, Abtastmuster. Wie oben beschrieben, liefert ein Abtasten mit IR-Licht Reflexionen von der Gefäßanordnung der Aderhaut sowie der Gefäßanordnung der Netzhaut. Die um die Sehachse und folglich auf der Fovea zentrierte abgetastete Kreisfläche liefert im wesentlichen identische Identifikationsmuster eines gegebenen Individuums ungeachtet des Neigungswinkels des Kopfes bezüglich der Sehachse.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Auge 5, in welches der Fixierungs- und Abtaststrahl projiziert werden. Das Auge S ist auf der Sehachse 10 zentriert, die einen Hintergrund 12 an einer Fovea 14 schneidet. Ein Sehnerv 16 ist in einem Winkel 17 von ungefähr 15,5º aus der Sehachse 10 geneigt. Der Hintergrund 12 beinhaltet eine Netzhaut 18 und eine Aderhaut 20.
Fig. 2 zeigt eine exemplarische Netzhautgefäßanordnung 22 die sich von dem Bereich des Sehnervs 16 aus verzweigt. Die Netzhautgefäßanordnung 22 ist bei Beobachtung mit entweder sichtbarer oder IR-Strahlung ohne weiteres sichtbar. Wenn man sie mit IR- Strahlung beleuchtet wird jedoch auch die Gefäßanordnung der Aderhaut 20 beobachtbar, wie bildlich durch das Geflecht der Aderhautgefäße 24 dargestellt ist. Aderhautgefäße 24 sind in dem Bereich der Fovea 14 sichtbar.
Ein paralleler IR-Abtaststrahl 26 wird, bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2, von einer Kombination aus Netzhautgefäßanordnung 22, Aderhautgefäßen 24 und verschiedenen anderen Strukturen und Pigmentierungen reflektiert. Der IR-Abtaststrahl 26 tritt in die Pupille 28 eines Auges 5 ein und wird durch eine Linse 30 auf den Hintergrund 12 fokussiert. Der IR- Abtaststrahl 26 durchfährt eine zirkulare Ortskurve von Punkten 32, die im wesentlichen um die Fovea 14 zentriert sind.
Die Abtastvorrichtung nach dem Stand der Technik, die entworfen wurde, um das oben beschriebene Resultat zu erzielen, ist in Fig. 3 gezeigt. Eine Fixierungszieleinrichtung 33 erlaubt einem Individuum, das Auge 5 richtig zu fokussieren und seine Sehachse IO an einer optischen Achse 34 der Abtastvorrichtung auszurichten. Die Fixierungszieleinrichtung 33 umfaßt eine sichtbares Licht emittierende Diode 35, die in einer Halterung 36 mit einer kleinen Bohrung 37 positioniert ist. Die Leuchtdiode 35 beleuchtet eine Fixierungszielmarkierung 38, die aus einer Platte mit mehreren konzentrischen Kreisen gebildet ist, auf welche das Auge 5 fokussiert wird.
Eine IR-Quelle 39 liefert einen Strahl infraroter Strahlung zum Abtasten des Hintergrundes 12 des Auges 5. Die IR-Quelle 39 umfaßt eine weißglühende Wolfram-Glühbirne 40, die Licht produziert, das eine Blende 42 passiert und an einer Linse 44 gebrochen wird. Ein IR-Filter 46 läßt nur den infraroten Wellenlängenanteil des Strahles durch, der nun durch eine kleine Bohrung 48 tritt. Der Strahl wird dann von einem Spiegel 50 auf einen Strahlteiler 52 reflektiert, der so angebracht ist, daß der Strahl mit der Optik der Fixierungszieleinrichtung und der optischen Achse 34 zusammenfällt. Ein Teil der von der IR-Quelle 39 ausgestrahlten Strahlung fällt durch den Strahlteiler 52 durch und wird in einer Lichtfalle 54 absorbiert. Die verbleibende Strahlung wird entlang der optischen Achse 34 zur einer Objektivlinse 56 reflektiert, welche den Strahl kollimiert und entlang der optischen Achse 34 richtet.
Ein Scanner ist dazu vorgesehen, den Strahl von einer Vielzahl sequentieller, voneinander abweichender Winkelpositionen in das fixierte Auge zurichten. Der Scanner umfaßt ein rotierendes Gehäuse 57 und die Scanneroptik, die mit dem Gehäuse rotiert, wie durch den kreisförmigen Pfeil 58 angezeigt ist.
Die Scanneroptik umfaßt einen heißen Spiegel 59 (einen Spiegel, der IR-Strahlung reflektiert, während er sichtbare Strahlung durchläßt), der in dem Strahlengang des Quellstrahls und des Fixierungsstrahls angeordnet ist. Die sichtbare Wellenlänge des Fixierungsstrahls wird durch den heißen Spiegel 59 durchgelassen, während der IR-Quellstrahl von der optischen Achse 34 weggebrochen wird. Ein Scannerspiegel 60 ist in dem Gehäuse 57 an einem Ort positioniert, der räumlich abseits der optischen Achse 34 liegt, und ist so orientiert, daß er den IR-Strahl durch einen IR-Filter 62 und in das Auge 5 richtet, während das Gehäuse 57 rotiert.
Der heiße Spiegel 59 verursacht eine Versetzung des Fixierungsstrahls, daher ist eine Offsetplatte 64 positioniert, um die Versetzung zu kompensieren.
Eine Objektivlinse 66 ist in einem Okular 68 angebracht, um den Strahl zu kollimieren und in das Auge 5 zu richten. Die Positionierung der Objektivlinse 66 an diesem Ort ermöglicht ein vereinfachtes Fokussieren der Vorrichtung für Individuen mit einem anderen Sehvermögen als 20/20.
Wenn das Gehäuse 57 rotiert, wird der IR-Strahl in einem ringförmigen Abtastmuster, das um die Fovea zentriert ist, in das Auge 5 gerichtet, wie durch die kreisförmige Ortskurve 32 dargestellt ist (Fig. 2). Licht, das vom Hintergrund 12 des Auges 5 reflektiert wird, variiert in der Intensität in Abhängigkeit von den Strukturen, die während des Abtastens angetroffen wurden. Das reflektierte Licht wird durch die Linse 30 des Auges 5 rekollimiert, wird aus der Pupille 28 durch die Objektivlinse 66 und den IR-Filter 62 zurückgerichtet, und am Scannerspiegel 60 und am heißen Spiegel 59 reflektiert. Der reflektierte Strahl wird dann durch die Objektivlinse 56 auf den Strahlteiler 52 fokussiert, der einen Teil des reflektierten Abtaststrahls zu einem heißen Spiegel 70 durchläßt, der den Strahl durch eine Blende 72 reflektiert. Der Strahl wird dann von einem Spiegel 74 reflektiert, wird durch eine Linse 76 gebrochen und von einer weiteren Blende 78 zu einem Detektor 80 durchgelassen.
Die Fixierungszieleinrichtung 33, die IR-Quelle 39, der Detektor 80 und die zugehörigen optischen Komponenten sind auf einem Schlitten 82 angebracht. Die oben beschriebenen Strahlen treten in den Schlitten 82 ein und verlassen diesen koinzident und fokussieren an optisch gleichen Entfernungen vom Auge 5. Eine Bewegung des Schlittens 82 entlang der Längsachse dient dazu, die Vorrichtung für Individuen mit einem anderen Sehvermögen als 20/20 zu fokussieren. Daher wird die der IR-Quelle 39 und dem Detektor 80 zugehörige Optik simultan fokussiert, wenn ein Individuum den Schlitten 82 entlang der Längsachse bewegt, um auf die Fixierungszieleinrichtung 33 zu fokussieren. Die Fixierungshalterung 36 und die kleine Bohrung 37 sind auf dem Schlitten 82 positionierbar, um eine Feinjustage der Fixierungszieleinrichtung 33 und der Fixierungszielmarkierung 38 mit der optischen Achse 34 zu ermöglichen.
Die IR-Quelle 39 hat eine feste Intensität, aber die Fixierungszieleinrichtung 33 hat eine einstellbare Intensität, durch welche ein Individuum die Sichtbarkeit der Fixierungszieleinrichtung 33 durch die Fixierungszielmarkierung 38 optimieren kann. Eine Veränderung der Intensität der Fixierungszieleinrichtung 33 bewirkt jedoch, daß sich der Durchmesser der Pupille 28 verändert, was Schwankungen in dem vom Detektor 80 empfangenen Signal verursachen kann. Außerdem sind Individuen manchmal durch das von der Fixierungszieleinrichtung 33 und der Fixierungszielmarkierung 38 erstellte Bild irritiert, was sie dazu veranlaßt, die Sehachse 10 ungenau mit der optischen Achse 34 in Deckung zu bringen.
Weitere Probleme mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik aus Fig. 3 beinhalten Schwierigkeiten, die Justage der vielen, optischen Komponenten aufrechtzuerhalten, den Mangel an Reproduzierbarkeit der Identifizierung, der durch die manuelle Fokussierung und die verwirrende Fixierungszieleinrichtung verursacht werden, und die mit der optischen Komplexität verbundenen Kosten.
Es ist daher ein wesentlich vereinfachtes optisches Scanriersystem mit einer inhärenten optischen Justage, ohne die Notwendigkeit einer manuellen Fokussierung und mit einer verbesserten Fixierungszieleinrichtung erforderlich.
Die US-A-4 135 791 offenbart einen Scanner mit reduzierter Blendung für die Beobachtung des Augenhintergrundes durch optische Linsen. Die Rotation der Beleuchtungsquelle wird für ein blendfreies Fotografieren des Hintergrundes mittels einer separaten Irisblende synchronisiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Augenhintergrundsabtastvorrichtung und ein Verfahren anzubieten, durch welches die Komponenten inhärent justiert werden und keine manuelle Fokussierung benötigen, um sie einem breiten Bereich menschlicher Sehschärfen anzupassen.
Ein Vorteil der Augenhintergrundsabtastvorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist die wesentlich verringerte optische Komplexität.
Ein weiterer Vorteil der Augenhintergrundsabtastvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die wesentlich verbesserte Datenreproduzierbarkeit.
Folglich bietet diese Erfindung ein vereinfachtes und verbessertes optisches Abtastsystem, das eine einzige Fixierungs- und IR-Abtastquelle, einen Strahlteiler, einen Detektor, und eine rotierende Scannerscheibe umfaßt, die eine Multifokalfixieningslinse, einen optischen Scanner und einen Winkelpositionskodierer in einer einzigen, inhärent ausgerichteten, geformten Komponente integriert.
Ein zu identifizierendes Individuum sieht durch die multifokale Fresnelsche Fixierungslinse ein Bild einer kleinen Bohrung einer Fixierungsquelle. Die Multifokallinse ist auf der Scheibe zentriert und erzeugt mehrere innerhalb und außerhalb des Brennpunkts liegende Bilder des Fixierungszieleinrichtungsbildes. Das kombinierte Bild erscheint als ein Satz von kreisförmigen Bildern, von denen eines im Brennpunkt liegt. Die Bilder erscheinen konzentrisch, wenn das Individuum mit der Scheibe und der dazugehörigen Optik richtig ausgerichtet ist.
Eine asphärische Fresnellinse und ein Fresnelprisma bilden den optischen Scanner, der auf der Peripherie der Scheibe positioniert ist. Der optische Scanner empfängt IR-Licht von der Quelle und erzeugt einen IR-Abtaststrahl, wenn die Scheibe gedreht wird. IR-Licht, das von dem Augenhintergrund eines Individuums reflektiert wird, kehrt entlang eines umgekehrten Pfades durch den Strahlteiler in den Detektor zurück. Der Detektor erzeugt Bilddaten in Reaktion auf die Intensitätsschwankungen der IR-Strahlung, die aus den Gefäßstrukturen resultieren, welche einen ringförmigen, abgetasteten Bereich auf dem Augenhintergrund einnehmen. Ein in die Scheibe eingearbeiteter Posititionskodierer korreliert die Bilddaten mit den Winkelpositionen des Fresnelprismas.
Die Scheibe integriert mehrere optische Elemente und richtet diese inhärent in einer einzigen geformten Komponente aus, resultierend in einer 60-prozentigen Abnahme der Anzahl der optischen Komponenten, die typischerweise in bisherigen Scannern gefunden werden. Die meisten der verbleibenden optischen Komponenten sind einfacher gestaltet als jene optischen Komponenten, die in bisherigen Scannern gefunden werden, wodurch sie einen wesentlich einfacheren, stabileren und reproduzierbaren optischen Identifizierungsscanner ermöglichen. Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen durchgeführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines menschlichen Auges von der Seite, welche die Hauptstrukturen des Auges zeigt, und die Pfade, welche die Strahlengänge repräsentieren, denen ein Hintergrundabtaststrahl nach dem Stand der Technik folgt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linien 2--2 von Fig. 1 genommen wurde.
Fig. 3 ist eine vereinfachte bildhafte Draufsicht eines Hintergrundabtastsystems nach dem Stand der Technik, welche dessen wichtigste optische Komponenten und zugehörigen Strahlengänge umfaßt.
Fig. 4 ist eine vereinfachte bildhafte Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hintergrundabtastsystems, welche dessen wichtigste optische Komponenten und zugehörigen Strahlengänge umfaßt.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Frontansicht einer erfindungsgemäßen Scannerscheibe, welche die räumliche Anordnung einer Fixierungslinse, eines optischen Scanners, eines Scheibenrotationsmotors, der Lager der Scheibenhalterung und eines Winkelpositionskodierers der Scheibe zueinander zeigt.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 6-6 von Fig. 5 genommen wurde, die die Scannerscheibe, die Multifokalfixierungslinse, ein Fresnelprisma und eine asphärische Fresnellinse zeigt.
Fig. 7 ist eine vergrößerte fragmentarische Ansicht, die Details des Fresnelprismas und der in Fig. 6 dargestellten asphärischen Fresnellinse zeigt.
Fig. 8 ist eine vergrößerte fragmentarische Ansicht, die Details der multifokalen Fresnellinse der in Fig. 6 dargestellten Fixierungslinse zeigt.
Fig. 9A ist ein bildhaftes Schema der Strahlengänge, das die fokalen Eigenschaften der Multifokalfixierungslinse von Fig. 8 veranschaulicht, wenn diese an der Sehachse eines menschlichen Auges ausgerichtet ist.
Fig. 9B ist eine schematische bildhafte Ansicht des Bildes, das auf eine Brennebene wie z. B. in einem Auge projiziert wird, lokalisiert an der Schnittlinie 9B-9B von Fig. 9A.
Fig. 10A ist ein bildhaftes Schema von Strahlengängen, das die fokalen Eigenschaften der Mulitifokalfixierungslinse von Fig. 8 veranschaulicht, wenn diese fehlerhaft an der Sehachse eines menschlichen Auges ausgerichtet ist.
Fig. 10B ist eine schematische bildhafte Ansicht des auf die Brennebene projizierten Bildes, wie z. B. im Auge, lokalisiert an der Schnittlinie 10B-10B von Fig. 10A.
Fig. 10C ist eine vergrößerte bildhafte Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Fixierungszieleinrichtung.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Scaffnersystems 100. Eine Fixierungszieleinrichtung (generell bei 102 gezeigt) umfaßt eine Beleuchtungsquelle 104, einen Streukörper 105, eine Sammellinse 106 und eine kleine Bohrung 108 mit einem 1,6 mm großen Durchmesser. Die Quelle 104, eine 3,5 Watt starke Glühbirne mit zentriertem Glühdraht vom Krypton-Typ, der Streukörper 105, eine linsenförmige "Corning-Fliegenauge"-Linse, und die Sammellinse 106 ermöglichen zusammen eine adäquate Beleuchtung der kleinen Bohrung 108. Die Quelle 104 stellt ein Spektrum und eine Strahlungsintensität bereit, die ausreicht, um zusätzlich zur Beleuchtung der Fixierungszieleinrichtung 102 als IR-Abtastquelle zu fungieren, wodurch das Erfordernis einer separaten IR-Quelle 39 nach dem Stand der Technik (Fig. 3) und ihrer zugehörigen optischen Komponenten 40, 42, 44, 46, 48, 50 und 52 beseitigt ist.
Sichtbares Licht wandert im allgemeinen von der Fixierungszieleinrichtung 102 entlang einer optischen Achse 110, wird an einem Strahlteiler 112 reflektiert und wandert durch eine Multifokalfixierungslinse 114 (im Detail später beschrieben), die im Zentrum einer Scannerscheibe 116 angebracht ist. Die Multifokalfixierungslinse 114 kollimiert im allgemeinen die Fixierungsstrahlen 118, die von der beleuchteten kleinen Bohrung 108 ausgehen und in dem Auge eines abgetasteten Individuums enden.
IR-Licht wandert von der Fixierungszieleinrichtung 102 allgemein entlang der optischen Achse 110, wird am Strahlteiler 112 reflektiert, wandert durch einen IR-Filter 120 zu einem Fresnelprisma 122 und einer asphärischen Fresnellinse 124 (beide werden später im Detail beschrieben). Der IR-Filter 120, das Fresnelprisma 122 und die asphärische Fresnellinse 124 weisen eine gemeinsame Achse auf, die vom Zentrum der Scannerscheibe 116 versetzt ist. Generell kollirnieren und lenken das Fresnellprisma 122 und die asphärische Fresnellinse 124 die IR-Abtaststrahlen 126 um, die von der beleuchteten kleinen Bohrung 108 ausgehen, den oben beschriebenen Weg nehmen, und vom Augenhintergrund des abgetasteten Individuums reflektiert werden. Die Abtaststrahlen 126 werden um einen Winkel 127 von 10º bezüglich der optischen Achse 110 abgelenkt, und wenn die Scannerscheibe 116 durch einen Motor 128 gedreht wird, tasten die Abtaststrahlen 126 bei einem Individuum, das abgetastet wird, einen 0,39 mm breiten, kreisförmigen Pfad ab, der um die Fovea zentriert ist.
Die reflektierten IR-Abtaststrahlen 126 kehren zum optischen Scannersystem 100 entlang eines reziproken Weges durch das Fesnelprisma 122, die asphärische Fresnellinse 124 und den IR-Filter 120 zum Strahlteiler 112 zurück. Ein Teil der reflektierten IR-Abtaststrahlen 126 fällt durch den Strahlteiler 112 zu einem IR-Detektor durch, der eine kleine Bohrung 130 von 2,5mm, eine Sammellinse 132 und eine Silicium-Fotodiode 134 umfaßt. Der relativ einfache Lichtweg des IR-Detektors beseitigt das Erfordernis der optischen Komponenten 74 und 78, die dem Detektor 80 (Fig. 3) nach dem Stand der Technik zugehören.
Fig. 5 zeigt eine Frontansicht der Scannerscheibe 116 mit ihrer zugehörigen Multifokalfixierungslinse 114, dem Fresnelprisma 122 und der asphärischen Fresnellinse 124. Das Fresnelprisma 122 und die asphärische Fresnellinse 124 sind als integrale Bestandteile der Scannerscheibe 116 ausgebildet, wobei ihre Hauptflächen gegenüberliegend planparallel angeordnet sind. Die Scannerscheibe 116 weist vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 40,7 mm auf, ist etwa 3,1Bmm dick und ist aus einem transparenten Acrylkunststoffinaterial mit einem Brechungsindex von 1,484 bei einer Strahlungswellenlänge von 900 nm pressgeformt. Ein anderer Formungsprozeß wie etwa ein Spritzgußverfahren kann angewendet werden.
Außerdem sind in die Peripherie der Scannerscheibe 116 in gleichmäßigem Abstand 96-1 Kodiererhebungen 140 eingeformt. Ein Bezugswinkel für die Scannerscheibe 116 ist durch eine fehlende Erhebung 140 an der Stelle 142 angegben. Ein reflexionssensitiver fotooptischer Sensor 144 ist neben der Scannerscheibe 116 angebracht, um die Kodiererhebungen 140 zu erfassen. Die Oberfläche der Scannerscheibe 116 reflektiert das Licht von dem Fotooptischen Sensor 144, wogegen die Kodiererhebungen 140 als Linsen wirken, die Licht streuen. Wenn die Scannerscheibe I16 rotiert, wird die alternierende Lichtreflexion und -streuung durch den fotooptischen Sensor 144 erfaßt, und durch konventionelle Verfahren in Drehwinkeldaten der Scannerscheibe 116 konvertiert.
Fig. 6 zeigt einen O-Ring 146, der den Rand 148 mit einer Vertiefung von 1,35mm umgibt, die in den Umfang der Scannerscheibe 116 geformt ist. Der O-Ring 146, wieder bezugnehmend auf Fig. 5, ist in reibungskraftschlüssiger Anlage an eine gerillte Antriebsrolle 150 auf dem Motor 128 vorgesehen, die so konfiguriert ist, das sie die Scannerscheibe 116 mit etwa 6 Umdrehungen pro Sekunde dreht. Die Scannerscheibe 116 ist zwischen der gerillten Antriebsrolle 150 und den gerillten Lagern 152 und 154, die, wie gezeigt, um den Umfang der Scannerscheibe 116 herum allgemein beabstandet angeordnet sind, aufgehängt.
Das gerillte Lager 154 ist in Richtung der Scannerscheibe 116 durch eine Feder 156 mit einer Sollkraft von 440 Gramm-Force vorgespannt. Das Abziehen des gerillten Lagers 154 von der Scannerscheibe 116 erlaubt eine einfache Installation und Entfernung der Scannerscheibe 116 vom optischen Scannersystem 100.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht der Scannerscheibe 116, die entlang der Linie 6-6 von Fig. 5 genommen wurde, um die relativen Positionen und Größen der asphärischen Fresnellinse 124, des Fresnelprismas 122 und der Multifokalfixierungslinse 114 zu zeigen, die vorzugsweise alle unter Verwendung von Fresneltechniken hergestellt sind.
Eine konventionelle Fresnellinse kann als eine Linse mit einer einzigen Brennweite beschrieben werden, und mit einer Dicke, die durch das Erzeugen der erforderlichen brennweitenerzeugenden Kontur in radial abgestuften Inkrementen minimiert wird. Die radiale Breite jedes Inkrements ist konstant, aber die Dickenänderung zwischen jedem Inkrement ändert sich über die Fläche der Linse um den Betrag, der notwendig ist, die benötigte Brennweite zu erzeugen.
Die asphärische Fresnellinse 124 ist eine konventionelle Fresnellinse mit einer effektiven Brennweite von 72 mm. Die asphärische Fresnellinse 124 und das Fresnelprisma 122 sind einander gegenüberliegend angeordnet, haben Durchmesser von ungefähr 9 mm, und ihre Zentren sind von der optischen Achse 110 der Scannerscheibe 116 um einen Abstand 158 von 11,2 mm versetzt.
Ein Fresnelprisma kann als ein Prisma beschrieben werden, dessen Dicke durch das Erzeugen des benötigten Prismenwinkels in linear abgestuften Inkrementen minimiert wird. Die Breite jedes linearen Inkrements ist konstant, und der benötigte Prismenwinkel wiederholt sich über die Fläche des Fresnelprismas.
Details des Querschnitts des Fresnelprismas 122 und der asphärischen Fresnellinse 124 sind vergrößert in Fig. 7 gezeigt. Ein lineares Inkrement 160 von 0,125 mm und ein Prismenwinkel 162 von 70,238º wiederholt sich über die Fläche des Fresnelprismas 122. Die asphärische Fresnellinse 124 weist eine Basiskrümmung von 34,6 mm auf, eine konische Konstante von -1,6698, ein radiales Inkrement von 0,125 mm und ist um ungefähr 1,17 mm von der Oberfläche der Scannerscheibe 116 eingerückt.
Querschnittsmäßige Details der Multifokalfixierungslinse 114 sind vergrößert in Fig. 8 gezeigt. Die Multifokalfixierungslinse 114 unterscheidet sich von einer konventionellen Fresnellinse, da jede aufeinanderfolgende radiale Stufe eine Kontur besitzt, die eine andere Brennweite definiert. Die Anzahl der benutzten unterschiedlichen Brennweiten und die radiale Anordnung des resultierenden Brennweitenmusters sind relativ unwichtig.
Das bevorzugte Muster verwendet vier unterschiedliche Brennweitenkonturen, die so gewählt sind, daß ein großer Bereich menschlicher Sehschärfen angepaßt werden kann. Beginnend bei der optischen Achse 110 und radial nach außen auf der Multifokalfixierungslinse 114 fortschreitend, weist eine erste Kontur 170 eine effektive Brennweite von 70,5 mm auf, eine zweite Kontur 172 hat eine effektive Brennweite von 72 mm, eine dritte Kontur 174 hat eine effektive Brennweite von 74,4 mm und eine vierte Kontur 176 hat eine effektive Brennweite von 78,5 mm. Jede Kontur hat eine radiale Breite 178 von 0,125 mm. Das oben beschriebene Konturenmuster wiederholt sich 18 mal über den gesamten radialen Abstand von 9 mm der Multifokalfixierungslinse 114. Um unerwünschte Reflexionen zu reduzieren, wird eine Achse 179 der Multifokalfixierungslinse 114 in einen Winkel von ungefähr 2º relativ zur optischen Achse 110 geneigt. Die Multifokalfixierungslinse 114 weist vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 1,8 mm auf.
Die effektive Brennweite f jeder Kontur wird mittels folgender Gleichung berechnet: = (f Nenn (f Korrekt d))/(f Korrekt- f Nenn),
wobei f Nenn der Abstand zwischen der Multifokallinse 114 und der kleinen Bohrung 108 ist, f Korrekt die Brennweite einer Korrekturlinse ist, die von einem Anwender benötigt wird, um ein völlig korrigiertes Sehvermögen herzustellen, und d der Abstand zwischen der Pupille 28 des Anwenders und der Multifokallinse 114 ist.
Die Integration der Multifokalfixierungslinse 114, der asphärischen Fresnellinse 124 und des Fresnelprismas 122 in die Scannerscheibe 116 beseitigt das Erfordernis der meisten optischen Komponenten, die zu einem in Fig. 3 gezeigten Scanner nach dem Stand der Technik gehören. Da die optischen Komponenten der Scannerscheibe 116 mittels einer sorgfältig maschinell bearbeiteten Modellform ausgebildet werden, sind sie inhärent ausgerichtet und benötigen keine nachträgliche Justage.
Die Fokussierungsfunktion der Multifokalfixierungslinse 114 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 9A und 9B beschrieben. Es ist üblich, ein Verfahren zur Fokussierung der optischen Instrumente bereitzustellen, um Individuen mit einem breiten Sehschärfebereich zu akkommodieren. Ein Brennpunktbereich von +3 Nenndioptrin bis -6 Nenndioptrin ist gewöhnlich zufriedenstellend. Der Brennweitenbereich braucht nicht kontinuierlich zu sein, da die meisten Individuen eine Brennpunktakkommodation von ungefähr 1,5 Dioptrin besitzen. Daher verwendet ein geeignetes optisches System eine Multifokalfixierungslinse 114, die vier Brennweitenstufen von +3 Nenn-, Nenn-, -3 Nenn- und -6 Nenndioptrin aufweist.
Die radiale Breite 178 ist vorzugsweise gleich oder kleiner einem Achtel des Minimaldurchmessers der Pupille 28, so daß das Auge 5 (Fig. 1) gleichzeitig alle vier Brennweiten der Multifokalfixierungslinse 114 abtastet. Der Minimaldurchmesser der Pupille 28 beträgt ungefähr 2 mm daher beträgt die maximale radiale Breite 178 ungefähr O,25 mm. Die bevorzugte radiale Breite von 0,125 mm ist die Hälfte der maximalen Breite. Gewiß ist eine kleinere radiale Breite wünschenswert, diese ist aber durch die Formungsmöglichkeiten der Fresnellinse limitiert.
Die kleine Bohrung 108 der Fixierungszieleinrichtung 102 erzeugt, bezugnehmend auf Fig. 9A, eine "einzige Zielmarkierung" (beleuchtete kleine Bohrung). Die Multifokalfixierungslinse 114 erzeugt eine Serie virtueller Bilder 180, 182, 184 und 186 der kleinen Bohrung 108, von denen eines durch die Linse 30 des Auges 5 ungeachtet dessen jeweiliger Sehschärfe auf die Brennebene 188 fokussiert wird. Das virtuelle Bild 184 entspricht einem Bild im Brennpunkt für ein Individuum mit nomineller Sehschärfe. In dem gezeigten Beispiel ist das Auge 5 jedoch leicht "kurzsichtig", so daß tatsächlich das virtuelle Bild 182 auf einen Punkt 190 auf der Brennebene 188 fokussiert wird. Die virtuellen Bilder 180, 184 und 186 werden an entsprechenden Punkten 192, 194 und 196 auf der Brennebene 188 abgebildet.
Fig. 9B stellt dar, wie die virtuellen Bilder 180, 182, 184 und 186 einem Individuum, das durch die Multifokalfixierungslinse 114 auf die Fixierungszieleinrichtung 102 schaut, erscheinen könnten. Das Auge 5 neigt dazu, auf das virtuelle Bild 182 zu fokussieren, dasjenige, welches sich am nächsten zum Brennpunkt befindet. Es erscheint der im Brennpunkt liegende Punkt 190 gegen einen Hintergrund von fortschreitend weiter außerhalb des Brennpunktes liegenden Bildern der kleinen Bohrung 108. Die außerhalb des Brennpunktes liegenden Bilder erscheinen als "unscharfe Kreise", die die Punkte 192, 194 und 196 auf der Brennebene 188 schneiden. Wenn die Sehachse 10 des Auges 5 an der optischen Achse 110 ausgerichtet ist, sind der Punkt 190 und die unscharfen Kreise koaxial, wodurch sie ein Fixierungszieleinrichtungsbild in Form des vertrauten, "Bullenauges" bilden, das einfacher und weniger verwirrend ist, als frühere Fixierungszieleinrichtungen, die mehrere Zielmarkierungen oder teilweise reflektierende Spiegel verwenden, um mehrere virtuelle Bilder in verschiedenen Brennpunktabständen zu erzeugen.
Die Ausrichtungsfunktion der Multifokalfixierungslinse 114 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10A, 10B und 10C beschrieben. In dem in Fig. 10A dargestellten Beispiel ist die Sehachse 10 des Auges 5 falsch mit der optischen Achse 110 ausgerichtet, wodurch das virtuelle Bild 182 am Punkt 200 auf der Brennebene 188 fokussiert. Die virtuellen Bilder 180, 184 und 186 werden an den entsprechenden Punkten 202, 204, 206 auf der Brennebene 188 abgebildet.
Die Fig. 10B stellt dar, wie die virtuellen Bilder 180, 182, 184 und 186 einem Individuum erscheinen könnten, das mit falscher axialer Ausrichtung durch die Multifokalfixierungslinse 114 auf die Fixierungszieleinrichtung 102 schaut. Es erscheint der im Brennpunkt liegende Punkt 200 gegen einen Hintergrund von fortschreitend weiter außerhalb des Brennpunktes liegenden Bildern der kleinen Bohrung 108. Die außerhalb des Brennpunktes liegenden Bilder erscheinen immer noch als unscharfe Kreise, aber schneiden nun die Punkte 202, 204 und 206 auf der Brennebene 188, wodurch sie ein nicht konzentrisches, Fixierungszieleinrichtungsbild in Form eines "Bullenauges" bilden, das eindeutig falsch ausgerichtet ist. Das Individuum bewegt sich einfach seitlich in Bezug auf die Multifokalfixierungslinse 114, bis das Bild des Bullenauges konzentrisch erscheint, wodurch es die Sehachse 10 mit der optischen Achse 110 ausrichtet, wie in Fig. 9A gezeigt ist.
Fig. 10C zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Fixierungszieleinrichtung 102, die die Fähigkeit eines Anwenders, die Sehachse 10 an der optischen Achse 110 auszurichten, weiter verbessert. In dieser Ausführungsform sind vier Schlitze 208 radial in Bezug auf die kleine Bohrung 108 ausgerichtet und gleichmäßig in 90º-Schritten beabstandet um die kleine Bohrung 108 herum angeordnet. Jede der Spalten 208 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie eine offene Fläche von höchstens 10% jener der kleinen Bohrung 108 aufweist.
Zwei Spalten 208 sind horizontal angeordnet und zwei sind vertikal angeordnet, so daß ein "Fadenkreuz"-Abschnitt der Fixierungszieleinrichtung 102 gebildet ist, welcher, wenn er mit dem vorhandenen "Bullenaugen"-Abschnitt kombiniert wird, das Ausrichten der Sehachse 10 an der optischen Achse 110 verbessert.
Fachleute werden erkennen, daß Teile dieser Erfindungen alternative Ausführungsformen haben können, und daß alle Ausführungsformen in Anwendungen verwendet werden können, bei welchen das Bild anstatt durch ein menschliches Auge eher durch eine Kamera oder eine andere abbildende Vorrichtung als anvisiert wird. Im Besonderen ist die Multifokalfixierungslinse 114 auf der Scannerscheibe 116 angebracht und rotiert mit dieser. Die Scannerscheibe 116 braucht jedoch weder die Multifokalfixieningslinse 114 noch den IR-Filter 120 zu umfassen, welche irgendwo entlang des Weges des Abtaststrahls angeordnet sein können. Die Multifokalfixierungslinse 114 kann andere, als die oben beschriebenen radialen Breiten und Konturenmuster aufweisen und ihr Muster kann sich in unterschiedlichen Anordnungen wiederholen, mit einer unterschiedlichen Anzahl von Brennweiten und/oder mit abweichenden radialen Breiten. Die Multifokalfixierungslinse 114 kann auch eine andere als eine Fresnellinse sein, wie z. B. eine rotierende Linse mit mehreren keilförmigen Abschnitten, von denen jeder eine unterschiedliche Brennweite aufweist.
Für Fachleute wird offensichtlich sein, daß viele Änderungen in den Details der oben beschriebenen Ausführungsformen vorliegender Erfindung vorgenommen werden können, ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien derselben abzuweichen. Dementsprechend ist zu beachten, daß diese Erfindung auch in anderen optischen Abtastanwendungen als jenen, die in Augenhintergrundscannern gefunden werden, anwendbar ist. Der Schutzumfang vorliegender Erfindung sollte demnach nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Vorrichtung (100) zum Abtasten des Hintergrundes (12) eines Auges (5) mit einer Sehachse (10) und zum Detektieren des vom Hintergrund reflektierten Augenleuchtmusters, wobei die Vorrichtung eine Beleuchtungsquelle (104) umfaßt, die sichtbare und IR- Strahlung bereitstellt, die im wesentlichen entlang der optischen Achse des Systems (110) gerichtet ist, gekennzeichnet durch:

eine Fixierungszieleinrichtung (102), von der Beleuchtungsquelle beleuchtet, die einen Fixierungsstrahl (118) des sichtbaren Lichtes durch eine Multifokallinse (114) sendet, die eine Serie virtueller Bilder (180-186) der Fixierungszieleinrichtung entwirft, die entlang der optischen Achse räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, so daß die Sehachse des Auges an der optischen Achse ausgerichtet und im wesentlichen auf mindestens ein virtuelles Bild fokussiert werden kann; und

eine Scannerscheibe (116), die positioniert ist, um um die optische Achse des Systems zu rotieren, und einen optischen Scanner (122, 124) beinhaltet, der zu der optischen Achse versetzt ist und so orientiert ist, daß er die IR-Strahlung empfängt und einen IR- Abtaststrahl von einer Vielzahl voneinander abweichenden Winkeleinstellungen in das Auge auf den Hintergrund an die abgetasteten Punkte (32) richtet, die um die Sehachse des Auges herum zentriert sind, so daß der IR-Abtaststrahl vom Hintergrund reflektiert und entlang des umgekehrten Weges (126) durch den optischen Scanner zu einem Strahlteiler (112) zurückkehrt, der die reflektierte IR-Strahlung zu einem Detektor (134) transmittiert, der Daten generiert, die die Intensität des reflektierten IR-Abtaststrahls an jedem abgetasteten Punkt des Hintergrundes repräsentieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Winkelkodierer (140) in der Scannerscheibe (116) integriert ist, wobei die Vielzahl der voneinander abweichenden Winkeleinstellungen über die vom Winkelkodierer erhaltenen Daten bestimmt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein linsen%rmiger Streukörper (105) vorgesehen ist, und die Fixierungszieleinrichtung (102) eine kleine Bohrung (108) enthält, so daß die Quelle durch den Streukörper beleuchtet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungszieleinrichtung (102) eine Anzahl von Spalten (208) umfaßt, die radial um eine Peripherie der kleinen Bohrung (108) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein IR-Filter (120) so positioniert ist, daß er im IR-Abtaststrahl (126) vorhandene sichtbare Strahlung blockiert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein IR-Filter (120) neben dem optischen Scanner (122, 124) auf der Scannerscheibe (116) befestigt und ihm zugewandt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Multifokallinse (114) an einem Ort auf der Scannerscheibe (116) befestigt ist, der auf der optischen Achse des Systems (110) zentriert ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Scanner ein Scannerprisma (122) und eine Scannerlinse (124) umfaßt, die einander zugewandt auf der Scannerscheibe (116) befestigt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die Multifokallinse (114), die Scannerlinse (124) und/oder das Scannerprisma (122) vom Fresneltyp ist bzw. sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor (128) wirkend mit der Scannerscheibe (116) verbunden ist, um sie mit ungefähr sechs Umdrehungen pro Sekunde zu drehen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannerscheibe (116) eine Peripherie (146) hat und aufgehängt ist zwischen mindestens zwei Lagern (152, 154) und einem Antrieb (150), der an dem Motor (128) angebracht ist, wobei die Lager und der Antrieb um die Peripherie (146) der Scannerscheibe (116) verteilt angeordnet sind.
12 Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der hager (152, 154) oder der Antrieb (150) von einer Kraft (156) in Richtung der Scannerscheibe vorgespannt ist bzw. sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Multifokallinse (114) eine Linse vom Fresneltyp ist, die eine Serie radialer Konturen (170-176) umfaßt, die jeweils eine unterschiedliche, vorher zu bestimmende effiziente Brennweite bereitstellen, so daß die Multifokallinse eine Serie virtueller Bilder (180-186) der Fixierungszieleinrichtung (102) entwirft, die entlang der optischen Achse (110) räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Serie radialer Konturen (170-176) ein Muster bildet, das sich radial über eine Oberfläche der Multifokallinse (114) wiederholt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl an Konturen in jeder Serie vier ist und die verschiedenen, vorher zu bestimmenden effizienten Brennweiten eine Nennbrennweite, eine Nennbrennweite plus ungefähr drei Dioptrin, eine Nennbrennweite minus ungefähr drei Dioptrin und eine Nennbrennweite minus ungefähr sechs Dioptrin umfassen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennbrennweite ungefähr 72 mm beträgt.
17. Verfahren zum Abtasten des Hintergrundes (12) eines Auges (S) mit einer Sehachse (10), umfassend folgende Schritte:

Bereitstellung einer Quelle (104) sichtbarer und IR-Strahlung, die im wesentlichen entlang der optischen Achse des Systems (110) gerichtet wird;

Beleuchtung einer Fixierungszieleinrichtung (102) mit dieser Quelle;

Transmittierung eines Fixierungsstrahls (118) sichtbaren Strahlung durch eine Multifokallinse (114), die eine Serie virtueller Bilder (180-186) der Fixierungszieleinrichtung (102) entwirft, die entlang der optischen Achse (110) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind;

Fixierung des Auges (5) auf die Fixierungszieleinrichtung (102), so daß die Sehachse (10) an der optischen Achse (110) ausgerichtet und das Auge (5) im wesentlichen auf zumindest eines der virtuellen Bilder (180-186) fokussiert wird;

Positionierung einer um die optische Achse rotierenden Scannerscheibe (116), die einen optischen Scanner (112, 124) umfaßt, der an einer räumlich abseits der optischen Achse liegenden Position angebracht und so ausgerichtet wird, daß er die IR-Strahlung der Quelle empfängt und einen Abtaststrahl in das Auge von einer Vielzahl voneinander abweichenden Winkeleinstellungen auf den Hintergrund an abgetastete Punkte (32), die um die Sehachse (10) des Auges zentriert sind, richtet, wobei die IR- Strahlung vom Hintergrund entlang eines umgekehrten Weges (126) durch den optischen Scanner zurückkehrt;

Positionierung eines Strahlteilers (112) zwischen der Scannerlinse und der Quelle;

Positionierung eines zum Strahlteiler (112) benachbarten Detektors (134); und

Transmittierung der zurückkehrenden IR-Strahlung mittels des Strahlteilers (112) in den Detektor (134), so daß Daten generiert werden, die die Intensität der zurückkehrenden Strahlung jedes vom Hintergrund abgetasteten Punktes repräsentieren.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Winkelkodierer wirksam mit der Scannerscheibe (116) verbunden wird und der Schritt der Bestimmung der Vielzahl von voneinander abweichenden Winkeleinstellungen durch Daten, die vom Winkelkodierer empfangen werden, umfaßt ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch den Schritt der Integration des Winkelkodierers in die Scannerscheibe (116).
20. Verfahren nach Anspruch 17 bis 19, gekennzeichnet durch den Schritt der Positionierung eines IR-Filters (120) zwischen der Quelle (104) und dem Auge (5), um im Abtaststrahl vorhandene sichtbare Strahlung zu blockieren.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 7 bis 20, gekennzeichnet durch den Schritt der Anbringung der Multifokallinse (114) auf der Scannerscheibe (116).
22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß

der optische Scanner ein Scannerprisma (122) und eine Scannerlinse (124) umfaßt, und der Schritt der Positionierung des Scannerprismas (122) neben der Scannerlinse (124) und dieser zugewandt um Faßt ist.