WO1998013665A1 - Process and device for measuring a bump on a surface, in particular on the retina of the eye - Google Patents

Process and device for measuring a bump on a surface, in particular on the retina of the eye Download PDF

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WO1998013665A1
WO1998013665A1 PCT/EP1997/005270 EP9705270W WO9813665A1 WO 1998013665 A1 WO1998013665 A1 WO 1998013665A1 EP 9705270 W EP9705270 W EP 9705270W WO 9813665 A1 WO9813665 A1 WO 9813665A1
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eye
lens
optical axis
measuring
measurement object
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Frank Schaeffel
Eberhart Zrenner
Stefan Weiss
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Eberhard-Karls-Universität Tübingen
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    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B3/12—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes
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    • A61B3/14—Arrangements specially adapted for eye photography
    • A61B3/145—Arrangements specially adapted for eye photography by video means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring an elevation of a surface of an object arranged behind a lens.
  • An infrared photoretinoscope is known from US-A-4 834 528.
  • the well-known retinoscope which is also referred to as a photoskiascope, comprises a conventional video camera with a lens.
  • an opaque diaphragm is arranged, which is semicircular and covers one half, preferably the lower half, of the lens opening.
  • Several light sources, preferably light-emitting diodes, are arranged in front of the diaphragm.
  • the ametropia and the accommodation of eyes can be determined fully automatically.
  • a patient is placed in front of the video camera at a distance of one to two meters.
  • the patient is instructed to look into the lens with the eye to be examined to look at the video camera.
  • the LEDs emit infrared light that is not visible to the patient.
  • the infrared light emitted from an eccentric position passes through the lens of the eye to be examined and is reflected behind it by the retina of the eye.
  • the light cone reflected by the retina of the eye is more or less captured by the upper, open half of the lens of the video camera.
  • the measured video image then consists of a segment of a circle ("crescent"), the position (top / bottom) or size of which enables a statement to be made as to whether the eye is short-sighted (myopic) or farsighted (hyperopic) and how the refraction, ie ametropia, of the Eye size.
  • the invention has for its object to develop a method and an apparatus of the type mentioned in such a way that the elevation of a surface of an object arranged behind a lens, in particular the topography of the surface, can be measured with simple means.
  • the object on which the device is based is achieved with:
  • e means for determining the elevation from the slope on the basis of a predetermined characteristic curve which takes the refraction of the lens relative to the surface into account.
  • the invention takes advantage of the method of infrared photosciascopy known from ophthalmology and explained above, in order to instead of refraction, i.e. the ametropia of an eye to measure the elevation of a surface arranged behind a lens.
  • this can be the measurement of a retina of the eye, but the invention is not restricted to this application, since other objects, in particular lifeless objects, workpieces and the like, can also be measured using the described method.
  • the invention is thus based on the consideration that the refraction of an imaging system can be changed by either the focal length of the optics is changed (as is done in the eye) or by changing the distance between the main plane of the optical apparatus and the image plane (as is done with a camera). Since it is known from the infrared photoskiascopy method described at the outset to precisely determine the refraction of an eye, this method can be used according to the invention to determine the exact topography, more generally the elevation of a surface at least one point, in depth measured.
  • the elevation is measured at a plurality of points on the surface in order to measure the topography of the surface.
  • This measure has the advantage that, for the first time, it is possible to carry out an exact mapping of the topography of a surface not only along a single axis, but with respect to a large number of points by using the known method of infrared photosciascopy.
  • the measurement object is a retina of an eye
  • this is achieved in a further development of this exemplary embodiment in that, in order to determine the position of individual measurement points on the retina, first the optical axes of the camera and the eye are made to coincide, and then a mark along the optical axis essentially rectangular coordinates are moved, the direction of view of the eye following the mark being determined from the position of the Purkinje 'reflex appearing in the video image on the lens of the eye.
  • the object is a lifeless measuring object
  • the object is a lifeless measuring object
  • the brand can be carried out by hand, it being possible to recognize in the image of the topography of the surface which is being built up on a screen which areas of the surface still have to be run over with the brand. In this way, redundancy in the recording of measured values can be minimized by optical control.
  • an automated procedure can be selected in which the measuring object is scanned line by line, for example, and the position of the image point can be determined via the position of the luminous point.
  • a device preferably used comprises: a) an arrangement for fixing the eye on the optical axis of the lens;
  • the device provided according to the invention preferably comprises:
  • the measurement object is an impression of an object.
  • This measure has the advantage that a homogeneous impression material can be used to produce the impression, the optical properties, in particular reflection properties, of which are constant over the entire surface. Measurement errors due to differently reflecting areas of the surface to be measured are avoided in this way.
  • Figure 1 is a front view of a video camera as used in the present invention.
  • FIG. 11 shows, on an enlarged scale, a video image of an eye which is examined in accordance with a variant of the methods illustrated in FIGS. 2 to 4;
  • FIG. 12 shows a brightness curve from the video image according to FIG. 11;
  • FIG. 13 shows a characteristic curve determined from the family of curves according to FIG. 12;
  • FIG. 14 shows a schematic block diagram of an arrangement for carrying out a first embodiment of a method according to the invention in ophthalmology
  • FIG. 15 shows an illustration, similar to FIG. 14, but for a general technical application of measuring a lifeless measuring object.
  • FIG. 1 10 denotes an otherwise common video camera with a housing 11 and a lens 12 placed on the front. Of a lens 13 of the lens 12, only the upper half can be seen in FIG. 1, since the lower half is by means of a semicircular diaphragm 14 is covered. The diaphragm 14 is delimited on its upper side along a diameter 15 which runs through the center of the objective 12.
  • a first row 20 is spaced by a eccentricity e ⁇ of the diameter 15, the remaining rows 21, 22 and 23 are each provided with increasing eccentricity e:, e 3 and e 4 are arranged.
  • the number of light-emitting diodes in the rows 20 to 23 increases with the eccentricity e to e 4 in order to compensate for non-linearities due to the eccentric arrangement.
  • the video camera 10, whose optical axis is designated by 26, can be seen in the right half.
  • An eye 30 is located in the extension of the optical axis 26.
  • a lens 31 and a retina 32 are indicated schematically in the eye 30.
  • the focal plane of the eye 30 is designated 33.
  • FIG. 2 is intended to represent the case of nearsightedness (myopia), there is no focusing on the retina 32. Rather, a diffuse image is reflected by the retina 32, as represented by second light beams 35a and 35b. These light beams 35a, 35b intersect in the focal plane of the eye 33 and generate a light cone 36 directed towards the objective 12.
  • the light cone 36 is designed in a predetermined manner with regard to the angle of inclination and the opening angle.
  • the upper half 37 is an image of the lower half 38 of the pupil 39, as shown in FIG. 5, where the video image recorded in FIG. 2 is shown.
  • the camera 10 captures a video image of the pupil 39 in which approximately the lower half of the pupil 39 appears bright, as in 38 with a "crescent", i.e. a section of a circle.
  • FIG. 7 shows that the camera 10 therefore records a video image of the pupil 39 which is completely unilluminated.
  • FIG. 4 shows the case of a farsighted (hyper-open) eye.
  • the light beams only cross behind the retina 32, so that a light cone 36b is produced, as is shown in FIG. 4.
  • the upper half 37b of the light cone 36b which falls on the objective 12, thus also depicts the upper half 38b of the pupil.
  • FIG. 8 where the case is shown that only the first row 20 of light-emitting diodes is switched on.
  • 9 and 10 show, analogously to FIGS. 6 and 7, the situations in which the eccentricity e of the rows 20 to 23 increases.
  • the pupil 39 of the eye 30 has a continuously varying brightness curve in the video image 50, in which a lower region 51 of the pupil 39 is bright and an upper region 52 of the pupil 39 is darker. The transition is continuous.
  • a coordinate system yx ' is placed over the pupil 39.
  • the ordinate y then runs essentially at right angles to the diameter 15 of the diaphragm 14.
  • the abscissa x' is in the case of FIG. 11 placed at the bottom of the pupil 39.
  • Curve 56 corresponds approximately to the profile of brightness H in video image 50 from FIG. 11, since brightness H decreases with increasing ordinate direction y. This corresponds to a positive refraction, as indicated by positive diopter values + D in FIG. 12.
  • the second curve 57 relates to an essentially normal-sighted eye, while the third curve 58 represents the case of a far-sighted eye with negative refraction (- D).
  • the slope angle of the approximately rectilinear curves 56 to 58 is designated.
  • 13 shows a straight line 60 as a characteristic curve.
  • the straight line 60 represents the linear dependence of the refraction R (measured in diopter D) on the slope tan a.
  • a slope corresponds to, for example 0.3 a refraction of 3 diopters.
  • the brightness curve H (y) can be determined with a measurement according to FIG. 11 and the refraction R in diopter D can be determined directly from the gradient of the brightness curve via the characteristic curve according to FIG. 13.
  • FIG. 14 shows a first measuring arrangement 70 for applications in ophthalmology.
  • the viewing direction of the eye 30 In order to carry out the measurements described with reference to FIGS. 11 to 13 for different measuring points on the retina, the viewing direction of the eye 30 must be varied and quantified in each case.
  • the relative position of the first Purkinje reflex 72 in the pupil 39 is recorded within the recorded video image.
  • the examining person guides a mark 71 along coordinate directions y, x, which are each essentially perpendicular to the optical axis 26.
  • the coordinate system yx is designated 73 in FIG. 14.
  • the video images recorded by the video camera 10 are fed via a line 75 to a measuring and display device 80.
  • the device 80 comprises a computing unit 81 which, among other things, comprises a characteristic curve memory 82.
  • the device 80 further comprises a display unit 85 with preferably five different displays 86, 87, 88, 89 and 90.
  • the first display 86 shows the recorded video image of the pupil 39.
  • the second display 87 symbolizes the coordinate system y-x 73 or the position of the mark 71 moved therein.
  • the third display 88 represents the refraction R over time t as curve 93 for each scan, e.g. is carried out automatically with a repetition frequency of 25 Hz.
  • the fourth display 89 shows the brightness curve already shown with reference to FIG. 12.
  • the fifth display 90 is used for scan control, i.e. it enables the examining person to determine whether the entire examination area has already been scanned via the hand-held marker 71 or not.
  • the coordinates x and y can be fed to the device 80 via an input 95.
  • the test subject is positioned at a distance of approximately 1.2 m from the camera 10.
  • the refraction measurements are then carried out at a repetition frequency automatically performed by, for example, 25 Hz.
  • the viewing direction of the eye 30 is simultaneously recorded by the relative position of the first Purkmje 'see reflex 72 m of the pupil 39.
  • the examining person carries the mark 71, for example a pencil or a small image, in the visual field of the eye Subject hm and fro. He strives to cover the subject's field of vision as far as possible
  • the refraction values R are now determined and m stored in the computing unit 81 as a function of the associated viewing angle position m.
  • the survey values z are now determined via characteristic curves R (z) stored in the characteristic memory 82.
  • the characteristic curves are determined from the known optical data of the eye 30, taking advantage of the considerations which are known with regard to the axis hyperopia or axis myopia Certain ametropia (refraction) of an eye that is too short or too wide, the focal point of the eye lens being behind or in front of the retina without the use of corrective glasses. Conversely, the refraction of a certain measuring point on the retina can be used to determine its elevation relative to a reference plane.
  • a measuring arrangement 98 is used to measure the topography of a lifeless measuring object, for example a workpiece, an integrated circuit of a denture impression or the like
  • a lifeless measuring object for example a workpiece, an integrated circuit of a denture impression or the like
  • the measuring arrangement essentially corresponds to the arrangement according to FIG. 14, so that the same reference numerals have been used in FIG. 15 for the same elements and for explanation in this respect to the explanations for FIG. 10 may be referred.
  • a slide 100 is provided in the arrangement according to FIG. 15, which can be moved from a cross table 101 in the direction of a coordinate system y-x, the axes y and x being essentially perpendicular to the optical axis 26.
  • the specimen slide 100 is laterally provided with an arm 103, which carries a light point 104, for example a light-emitting diode, at its free end. Illuminated dot 104 is positioned such that it appears in the video image of video camera 110.
  • a measurement object 105 is attached to the slide 100.
  • a lens 106 for example a commercially available lens of a film or photo camera, is arranged between the measurement object 105 and the video camera 10.
  • the objective 106 could now be tilted into different “viewing directions”, as is done in a similar way in the ophthalmological examination according to FIG. 14. This would mean that the Purkinje 'reflex must also be detected on the lens 106, but this can lead to problems with a multi-lens lens, because each lens of the lens has two such reflections, namely on the front and on the back, generated. In addition, the changes in commercial lenses Refraction if the beam path is not parallel but at an angle to the optical axis.
  • the procedure is therefore to move the measurement object 105 by moving the object carrier 100 along the coordinates x, y and to position the objective 106 fixed between the video camera 10 and the measurement object 105.
  • the light point 104 is detected in a rigid coupler with the measurement object 105 and is also shown in the recorded video image, so that an exact assignment of the measurement point to the surface of the measurement object 105 is possible.
  • a commercially available lens of a photo camera with a focal length of 50 mm can be used as the lens 106.
  • a refraction change of 0.1 diopter corresponds to a change in the elevation in depth (z) of approximately 0.208 mm. Since the refraction measurement described can achieve a resolution of the refraction of the order of 0.02 diopter, the accuracy in the measurement of the elevation is below 40 / im. This accuracy is given linearly over at least a range of approximately 2 mm in depth. However, this accuracy can be significantly improved by using higher quality lenses.
  • the resolution in the image plane x / y depends on the resolution of the video image and on the precision of the cross 101.

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Abstract

A process and device are disclosed for measuring a bump of a surface (32) of an object arranged behind a lens (13), for example the retina of an eye (30). A video image (50) of the surface (32) is taken by a camera (10). The objective (13) of the camera (10) is half covered by a substantially semicircular diaphragm (14). The surface (32) is lighted by a plurality of light sources (20) arranged in front of the diaphragm (14). The brightness curve of the video image (50) is measured along an axis substantially normal to the diaphragm-limiting diameter (15). The rise of the brightness curve is sensed. The bump is determined from the rise on the basis of a particular characteristic curve (82) which takes into account the refraction (R) of the lens relative to the surface.

Description

VORRICHTUNG ZUM VERMESSEN DER ERHEBUNG EINER OBERFLACHE, INSBESONDER DER NETZHAUTDEVICE FOR MEASURING THE SURFACE OF A SURFACE, ESPECIALLY THE RETICULAR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen einer Erhebung einer Oberfläche eines hinter einer Linse angeordneten Objektes.The invention relates to a method and a device for measuring an elevation of a surface of an object arranged behind a lens.
In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, feinstrukturierte Oberflächen hinsichtlich der Erhebung von einigen oder vielen Meßpunkten auf der Oberfläche zu vermessen. Beispiele hierfür finden sich in der Technik der Herstellung integrierter Halbleiterschaltkreise, aber auch im medizinischen Bereich. In der Zahnheilkunde ist es beispielsweise erforderlich, diejenigen Oberflächen exakt zu rekonstruieren, auf die nach der vorbereitenden zahnärztlichen Behandlung ein Zahnersatz aufgesetzt werden soll.In many areas of technology it is necessary to measure finely structured surfaces with regard to the elevation of a few or many measuring points on the surface. Examples this can be found in the technology of manufacturing integrated semiconductor circuits, but also in the medical field. In dentistry, for example, it is necessary to reconstruct exactly those surfaces on which a denture is to be placed after the preparatory dental treatment.
In der Augenheilkunde ist es bekannt, zur Diagnose von Erkrankungen der Netzhaut eine topographische Vermessung der Netzhautoberfläche vorzunehmen. Die zu vermessenden Erhebungen auf der Netzhaut liegen dabei in der Größenordnung von Hundertstel- und Zehntelmillimetern. Für diesen Einsatzzweck ist es bekannt, sogenannte Scanning-Laser-Tomographen einzusetzen. Derartige Vorrichtungen sind jedoch sehr aufwendig und teuer.In ophthalmology, it is known to carry out a topographical measurement of the surface of the retina to diagnose diseases of the retina. The elevations to be measured on the retina are of the order of hundreds and tenths of a millimeter. For this purpose, it is known to use so-called scanning laser tomographs. However, such devices are very complex and expensive.
Darüber hinaus ist es in der allgemeinen Technik bekannt, die Gestalt von Gegenständen mittels optischer Meßverfahren unterschiedlichster Art zu vermessen.In addition, it is known in general technology to measure the shape of objects by means of various types of optical measuring methods.
Aus der US-A-4 834 528 ist ein Infrarot-Photoretinoskop bekannt. Das bekannte Retinoskop, das auch als Photoskiaskop bezeichnet wird, umfaßt eine übliche Videokamera mit Objektiv. Vor der Öffnung des Objektivs ist jedoch eine lichtundurchlässige Blende angeordnet, die halbkreisförmig ausgebildet ist und eine Hälfte, vorzugsweise die untere Hälfte der Objektivöffnung abdeckt. Vor der Blende sind mehrere Lichtquellen, vorzugsweise Leuchtdioden, angeordnet.An infrared photoretinoscope is known from US-A-4 834 528. The well-known retinoscope, which is also referred to as a photoskiascope, comprises a conventional video camera with a lens. Before the opening of the lens, however, an opaque diaphragm is arranged, which is semicircular and covers one half, preferably the lower half, of the lens opening. Several light sources, preferably light-emitting diodes, are arranged in front of the diaphragm.
Mit diesem bekannten Infrarot-Photoskiaskop kann die Fehlsichtig- keit und die Akkomodation von Augen vollautomatisch bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird ein Patient in einer Entfernung von ein bis zwei Metern vor die Videokamera gesetzt . Der Patient wird angewiesen, mit dem zu untersuchenden Auge in das Objektiv der Videokamera zu blicken. Die Leuchtdioden senden infrarotes Licht aus, das für den Patienten nicht sichtbar ist. Das aus einer exzentrischen Lage abgestrahlte infrarote Licht durchsetzt die Linse des zu untersuchenden Auges und wird dahinter von der Netzhaut des Auges reflektiert. Je nachdem, wie exzentrisch die Leuchtdiode relativ zur optischen Achse des Objektivs angeordnet ist und je nachdem wie fehlsichtig das zu untersuchende Auge ist, wird der von der Netzhaut des Auges reflektierte Lichtkegel mehr oder weniger von der oberen, offenen Hälfte des Objektivs der Videokamera erfaßt. Das gemessene Videobild besteht dann aus einem Kreisabschnitt ("Halbmond") , dessen Lage (oben/unten) bzw. Größe eine Aussage darüber ermöglicht, ob das Auge kurzsichtig (myop) oder weitsichtig (hyperop) und wie die Refraktion, d.h. Fehlsichtigkeit, des Auges bemessen ist.With this well-known infrared photoskioscope the ametropia and the accommodation of eyes can be determined fully automatically. For this purpose, a patient is placed in front of the video camera at a distance of one to two meters. The patient is instructed to look into the lens with the eye to be examined to look at the video camera. The LEDs emit infrared light that is not visible to the patient. The infrared light emitted from an eccentric position passes through the lens of the eye to be examined and is reflected behind it by the retina of the eye. Depending on how eccentrically the light-emitting diode is arranged relative to the optical axis of the lens and depending on how defective the eye to be examined is, the light cone reflected by the retina of the eye is more or less captured by the upper, open half of the lens of the video camera. The measured video image then consists of a segment of a circle ("crescent"), the position (top / bottom) or size of which enables a statement to be made as to whether the eye is short-sighted (myopic) or farsighted (hyperopic) and how the refraction, ie ametropia, of the Eye size.
Aus der GB-Z "Journal of Physiology", 461, Seiten 301 bis 320, 1993, ist es bekannt, die Funktion des vorstehend beschriebenen Photoskiaskops dahingehend zu erweitern, daß gleichzeitig mehrere der unterschiedlich exzentrisch angeordneten Lichtquellen (Infrarotdioden) betrieben werden. Anstelle eines klar abgegrenzten Halbmondes ergibt sich dann bei ansonsten unverändertem Untersuchungsaufbau ein Bild des zu untersuchenden Auges, in dem innerhalb der Pupille sich die Helligkeit entlang einer Vertikalachse kontinuierlich ändert. Bei dem beschriebenen Verfahren wird die Helligkeit entlang dieser Achse gemessen, wobei sich zeigt, daß der Helligkeitsverlauf linear ist. Der Betrag und das Vorzeichen der Steigung sind wiederum ein Maß für die Art und die Stärke der Fehlsichtigkeit. Mittels geeigneter Eichkurven kann auf diese Weise die Refraktion des untersuchten Auges unmittelbar und quantitativ (in Dioptrien) angegeben werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Erhebung einer Oberfläche eines hinter einer Linse angeordneten Objektes, insbesondere die Topographie der Oberfläche, mit einfachen Mitteln vermessen werden kann.From GB-Z "Journal of Physiology", 461, pages 301 to 320, 1993, it is known to expand the function of the photoskiascope described above in such a way that several of the differently eccentrically arranged light sources (infrared diodes) are operated at the same time. Instead of a clearly delineated crescent, an image of the eye to be examined is then obtained with an otherwise unchanged examination setup, in which the brightness changes continuously along a vertical axis within the pupil. In the described method, the brightness is measured along this axis, which shows that the brightness curve is linear. The amount and the sign of the slope are in turn a measure of the type and strength of the ametropia. In this way, the refraction of the examined eye can be indicated directly and quantitatively (in diopters) by means of suitable calibration curves. The invention has for its object to develop a method and an apparatus of the type mentioned in such a way that the elevation of a surface of an object arranged behind a lens, in particular the topography of the surface, can be measured with simple means.
Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst:In the method of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention by the following steps:
a) Aufnehmen eines Videobildes der Oberfläche mittels einer Kamera, deren Objektiv mittels einer im wesentlichen halbkreisförmigen Blende im wesentlichen halb abgedeckt ist;a) recording a video image of the surface by means of a camera, the lens of which is essentially half covered by means of an essentially semicircular diaphragm;
b) Beleuchten der Oberfläche mittels einer Mehrzahl von vor der Blende angeordneten Lichtquellen;b) illuminating the surface by means of a plurality of light sources arranged in front of the diaphragm;
c) Messen des Helligkeitsverlaufes des Videobildes entlang einer Achse, die im wesentlichen auf dem die Blende begrenzenden Durchmesser senkrecht steht;c) measuring the brightness profile of the video image along an axis which is essentially perpendicular to the diameter delimiting the diaphragm;
d) Erfassen der Steigung des Helligkeitsverlaufes; undd) detecting the slope of the brightness curve; and
e) Bestimmen der Erhebung aus der Steigung anhand einer vorbestimmten, die Refraktion der Linse relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie.e) determining the elevation from the slope on the basis of a predetermined characteristic curve taking into account the refraction of the lens relative to the surface.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die der Vorrichtung zugrundeliegende Aufgabe gelöst mi :In a device of the type mentioned at the outset, the object on which the device is based is achieved with:
a) einer Kamera, deren Objektiv mittels einer im wesentlichen halbkreisförmigen Blende im wesentlichen halb abgedeckt ist; b) einer Mehrzahl von vor der Blende angeordneten Lichtquellen;a) a camera, the lens of which is covered by a substantially semicircular aperture substantially half; b) a plurality of light sources arranged in front of the diaphragm;
c) Mitteln zum Messen des Helligkeitsverlaufes eines von der Kamera aufgenommenen Videobildes der Oberfläche entlang einer Achse, die im wesentlichen auf dem die Blende begrenzenden Durchmesser senkrecht steht;c) means for measuring the brightness profile of a video image of the surface recorded by the camera along an axis which is essentially perpendicular to the diameter delimiting the diaphragm;
d) Mitteln zum Erfassen der Steigung des Helligkeitsverlaufes; undd) means for detecting the gradient of the brightness curve; and
e) Mitteln zum Bestimmen der Erhebung aus der Steigung anhand einer vorbestimmten, die Refraktion der Linse relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie.e) means for determining the elevation from the slope on the basis of a predetermined characteristic curve which takes the refraction of the lens relative to the surface into account.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst .The object underlying the invention is completely achieved in this way.
Die Erfindung macht sich nämlich in vorteilhafter Weise das aus der Augenheilkunde bekannte und oben erläuterte Verfahren der Infrarot -Photoskiaskopie zunutze, um statt der Refraktion, d.h. der Fehlsichtigkeit eines Auges, die Erhebung einer hinter einer Linse angeordneten Oberfläche zu vermessen. Dies kann innerhalb der Augenheilkunde die Vermessung einer Netzhaut des Auges sein, die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, da auch andere Objekte, insbesondere leblose Objekte, Werkstücke und dergleichen mit dem geschilderten Verfahren vermessen werden können.The invention takes advantage of the method of infrared photosciascopy known from ophthalmology and explained above, in order to instead of refraction, i.e. the ametropia of an eye to measure the elevation of a surface arranged behind a lens. In ophthalmology, this can be the measurement of a retina of the eye, but the invention is not restricted to this application, since other objects, in particular lifeless objects, workpieces and the like, can also be measured using the described method.
Die Erfindung beruht somit auf der Überlegung, daß die Refraktion eines abbildenden Systems verändert werden kann, indem entweder die Brennweite der Optik verändert wird (wie dies im Auge geschieht) oder indem der Abstand zwischen der Hauptebene des optischen Apparates und der Bildebene verändert wird (wie dies bei einem Fotoapparat geschieht) . Da es aus dem eingangs geschilderten Verfahren der Infrarot-Photoskiaskopie bekannt ist, die Refraktion eines Auges genau zu bestimmen, kann dieses Verfahren erfindungsgemäß dazu verwendet werden, um die genaue Topographie, allgemeiner ausgedrückt die Erhebung einer Oberfläche an mindestens einem Punkt, in der Tiefe zu vermessen.The invention is thus based on the consideration that the refraction of an imaging system can be changed by either the focal length of the optics is changed (as is done in the eye) or by changing the distance between the main plane of the optical apparatus and the image plane (as is done with a camera). Since it is known from the infrared photoskiascopy method described at the outset to precisely determine the refraction of an eye, this method can be used according to the invention to determine the exact topography, more generally the elevation of a surface at least one point, in depth measured.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zum Vermessen der Topographie der Oberfläche die Erhebung an einer Vielzahl von Punkten der Oberfläche gemessen.In a preferred development of the invention, the elevation is measured at a plurality of points on the surface in order to measure the topography of the surface.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß es erstmals möglich ist, nicht nur entlang einer einzigen Achse, sondern bezüglich einer Vielzahl von Punkten durch Verwendung des an sich bekannten Verfahrens der Infrarot -Photoskiaskopie eine genaue Abbildung der Topographie einer Oberfläche vorzunehmen.This measure has the advantage that, for the first time, it is possible to carry out an exact mapping of the topography of a surface not only along a single axis, but with respect to a large number of points by using the known method of infrared photosciascopy.
Wenn das Meßobjekt eine Netzhaut eines Auges ist, wird dies bei einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels verfahrensmäßig dadurch erreicht, daß zur Lagebestimmung einzelner Meßpunkte auf der Netzhaut zunächst die optischen Achsen der Kamera und des Auges zur Deckung gebracht werden und dann eine Marke entlang von zur optischen Achse im wesentlichen rechtwinklig verlaufenden Koordinaten verfahren wird, wobei die Blickrichtung des der Marke folgenden Auges aus der Position des im Videobild erscheinenden Purkinje' sehen Reflexes auf der Linse des Auges bestimmt wird.If the measurement object is a retina of an eye, this is achieved in a further development of this exemplary embodiment in that, in order to determine the position of individual measurement points on the retina, first the optical axes of the camera and the eye are made to coincide, and then a mark along the optical axis essentially rectangular coordinates are moved, the direction of view of the eye following the mark being determined from the position of the Purkinje 'reflex appearing in the video image on the lens of the eye.
Wenn das Objekt hingegen ein lebloses Meßobjekt ist, so wird bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lagebestimmung einzelner Meßpunkte auf dem Meßobjekt dessen Oberfläche rechtwinklig zur optischen Achse der Kamera angeordnet und ein Objektiv auf der optischen Achse raumfest zwischen Kamera und Meßobjekt positioniert, wobei das Meßobjekt entlang von zur optischen Achse im wesentlichen rechtwinkligen Koordinaten verfahren und die Position des Schnittpunktes der optischen Achse mit der Oberfläche aus der Position eines mit dem Meßobjekt starr verbundenen Leuchtpunktes im Videobild bestimmt wird.If, on the other hand, the object is a lifeless measuring object, then in a further development of the method according to the invention Determining the position of individual measurement points on the measurement object, the surface of which is arranged at right angles to the optical axis of the camera and a lens is positioned on the optical axis in a fixed space between the camera and the measurement object, the measurement object moving along coordinates which are essentially perpendicular to the optical axis and the position of the intersection point of the optical axis is determined with the surface from the position of a luminous dot rigidly connected to the measurement object in the video image.
Diese Maßnahmen haben für die genannten Anwendungεfälle den Vorteil, daß es mit äußerst einfachen Mitteln möglich ist, die zu vermessende Oberfläche punktweise abzutasten.For the applications mentioned, these measures have the advantage that it is possible with extremely simple means to scan the surface to be measured point by point.
Im Bereich der Augenheilkunde kann die Marke beispielsweise von Hand geführt werden, wobei in dem auf einem Bildschirm sich aufbauenden Bild der Topographie der Oberfläche erkannt werden kann, welche Bereiche der Oberfläche noch mit der Marke überfahren werden müssen. Auf diese Weise kann durch optische Kontrolle eine Redundanz bei der Meßwertaufnähme minimiert werden .In the field of ophthalmology, for example, the brand can be carried out by hand, it being possible to recognize in the image of the topography of the surface which is being built up on a screen which areas of the surface still have to be run over with the brand. In this way, redundancy in the recording of measured values can be minimized by optical control.
Bei den technischen Anwendungsfällen mit leblosen Meßobjekten kann hingegen eine automatisierte Vorgehensweise gewählt werden, bei der das Meßobjekt zum Beispiel zeilenweise abgetastet wird und die Bildpunktlage über die Lage des Leuchtpunktes erfaßt werden kann.In the case of technical applications with lifeless measuring objects, on the other hand, an automated procedure can be selected in which the measuring object is scanned line by line, for example, and the position of the image point can be determined via the position of the luminous point.
Zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahrensvarianten können unterschiedliche Vorrichtungen eingesetzt werden.Different devices can be used to carry out the aforementioned method variants.
Wenn die Topographie einer Netzhaut eines Auges vermessen werden soll, umfaßt eine vorzugsweise eingesetzte Vorrichtung: a) eine Anordnung zum Fixieren des Auges auf der optischen Achse des Objektives;If the topography of a retina of an eye is to be measured, a device preferably used comprises: a) an arrangement for fixing the eye on the optical axis of the lens;
b) eine Anordnung zum Verfahren einer Marke entlang von zur optischen Achse im wesentlichen senkrecht verlaufenden Koordinaten; sowieb) an arrangement for moving a mark along coordinates which are substantially perpendicular to the optical axis; such as
c) eine Anordnung zur Bestimmung des im Videobild erscheinenden Purkin e' sehen Reflexes auf der Linse des Auges.c) an arrangement for determining the Purkin e 'see reflection in the video image on the lens of the eye.
Wenn hingegen die Topographie einer Oberfläche eines leblosen Meßobjektes vermessen werden soll, umfaßt die erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung vorzugsweise:If, on the other hand, the topography of a surface of a lifeless measurement object is to be measured, the device provided according to the invention preferably comprises:
a) eine Anordnung zum Ausrichten der Oberfläche rechtwinklig zur optischen Achse der Kamera;a) an arrangement for aligning the surface perpendicular to the optical axis of the camera;
b) ein raumfest zwischen der Kamera und dem Meßobjekt auf der optischen Achse positioniertes Objektiv;b) a lens fixedly positioned between the camera and the measurement object on the optical axis;
c) eine Anordnung zum Verfahren des Meßobjekteε entlang von zur optischen Achse im wesentlichen senkrecht verlaufenden Achsen, wobei ein Leuchtpunkt mit dem Meßobjekt starr verbunden ist; undc) an arrangement for moving the measurement object along axes substantially perpendicular to the optical axis, a luminous point being rigidly connected to the measurement object; and
d) eine Anordnung zum Bestimmen der Position des Schnittpunktes der optischen Achse mit der Oberfläche aus der Position des Leuchtpunktes im Videobild.d) an arrangement for determining the position of the intersection of the optical axis with the surface from the position of the illuminated point in the video image.
Diese Maßnahmen gestatten es, die Topographie der Oberfläche mit äußerst einfachen Mitteln zu vermessen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Meßobjekt ein Abdruck eines Gegenstandes.These measures allow the topography of the surface to be measured with extremely simple means. In a further preferred embodiment of the invention, the measurement object is an impression of an object.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß zum Herstellen des Abdrucks eine homogene Abdruckmasse verwendet werden kann, deren optische Eigenschaften, insbesondere Reflektionseigenschaften, über die gesamte Oberfläche konstant sind. Meßfehler aufgrund unterschiedlich reflektierender Bereiche der zu vermessenden Oberfläche werden auf diese Weise vermieden.This measure has the advantage that a homogeneous impression material can be used to produce the impression, the optical properties, in particular reflection properties, of which are constant over the entire surface. Measurement errors due to differently reflecting areas of the surface to be measured are avoided in this way.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages result from the description and the attached drawing.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinεtellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Videokamera, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;Figure 1 is a front view of a video camera as used in the present invention.
Fig. 2 bis 4 schematisierte Strahlengänge zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens in seiner Anwendung bei der Vermessung der Topographie einer Netzhaut eines Auges; Fig. 5 bis 10 schematisierte Videobilder eines Auges, wie es gemäß den in Fig. 2 bis 4 veranschaulichten Verfahrensvarianten untersucht wird;2 to 4 schematic beam paths for explaining the measurement method according to the invention in its application in measuring the topography of a retina of an eye; 5 to 10 show schematic video images of an eye as it is examined according to the method variants illustrated in FIGS. 2 to 4;
Fig. 11 in vergrößertem Maßstab ein Videobild eines Auges, das gemäß einer Variante zu den in den Fig. 2 bis 4 veranschaulichten Verfahren untersucht wird;11 shows, on an enlarged scale, a video image of an eye which is examined in accordance with a variant of the methods illustrated in FIGS. 2 to 4;
Fig. 12 einen Helligkeitsverlauf aus dem Videobild gemäß Fig. 11;FIG. 12 shows a brightness curve from the video image according to FIG. 11;
Fig. 13 eine aus der Kurvenschar gemäß Fig. 12 ermittelte Kennlinie;13 shows a characteristic curve determined from the family of curves according to FIG. 12;
Fig. 14 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Anordnung zum Durchführen einer ersten Ausführungsform eines er indungsgemäßen Verfahrens in der Augenheilkunde;14 shows a schematic block diagram of an arrangement for carrying out a first embodiment of a method according to the invention in ophthalmology;
Fig. 15 eine Darstellung, ähnlich Fig. 14, jedoch für einen allgemeinen technischen Anwendungsfall der Vermessung eines leblosen Meßobjekteε.15 shows an illustration, similar to FIG. 14, but for a general technical application of measuring a lifeless measuring object.
In Fig. 1 bezeichnet 10 eine im übrigen übliche Videokamera mit einem Gehäuse 11 und einem vorne aufgesetzten Objektiv 12. Von einer Linse 13 des Objektivs 12 ist in Fig. 1 nur die obere Hälfte zu erkennen, da die untere Hälfte mittels einer halbkreisförmigen Blende 14 abgedeckt ist . Die Blende 14 ist an ihrer Oberseite entlang eines Durchmessers 15 begrenzt, der durch das Zentrum des Objektivs 12 verläuft.In FIG. 1, 10 denotes an otherwise common video camera with a housing 11 and a lens 12 placed on the front. Of a lens 13 of the lens 12, only the upper half can be seen in FIG. 1, since the lower half is by means of a semicircular diaphragm 14 is covered. The diaphragm 14 is delimited on its upper side along a diameter 15 which runs through the center of the objective 12.
Vor der Blende 14 befinden sich mehrere Reihen 20, 21, 22, 23 von Leuchtdioden, die im infraroten Bereich Licht aussenden. Eine erste Reihe 20 ist um einen Exzentrizitätsbetrag e} vom Durchmesser 15 beabstandet, die übrigen Reihen 21, 22 und 23 sind jeweils mit zunehmender Exzentrizität e:, e3 bzw. e4 angeordnet. Die Anzahl der Leuchtdioden in den Reihen 20 bis 23 nimmt mit der Exzentrizität e bis e4 zu, um Nichtlinearitäten infolge der exzentrischen Anordnung zu kompensieren.In front of the diaphragm 14 there are several rows 20, 21, 22, 23 of light emitting diodes which emit light in the infrared range. A first row 20 is spaced by a eccentricity e} of the diameter 15, the remaining rows 21, 22 and 23 are each provided with increasing eccentricity e:, e 3 and e 4 are arranged. The number of light-emitting diodes in the rows 20 to 23 increases with the eccentricity e to e 4 in order to compensate for non-linearities due to the eccentric arrangement.
In den Fig. 2 bis 4 sind Strahlengänge für verschiedene Meßanordnungen innerhalb der Augenheilkunde schematisch dargestellt.2 to 4, beam paths for various measuring arrangements within ophthalmology are shown schematically.
Man erkennt jeweils in der rechten Hälfte die Videokamera 10, deren optische Achse mit 26 bezeichnet ist. In Verlängerung der optischen Achse 26 befindet sich ein Auge 30. Im Auge 30 sind eine Linse 31 sowie eine Netzhaut 32 schematisch angedeutet. Die Fokalebene des Auges 30 ist mit 33 bezeichnet.The video camera 10, whose optical axis is designated by 26, can be seen in the right half. An eye 30 is located in the extension of the optical axis 26. A lens 31 and a retina 32 are indicated schematically in the eye 30. The focal plane of the eye 30 is designated 33.
Wenn gemäß Fig. 2 nur die erste Reihe 20 von Leuchtdioden eingeschaltet wird, sendet diese einen ersten Lichtstrahl 34 aus, der durch die Linse 31 auf die Netzhaut 32 fällt. Da Fig. 2 den Fall der Kurzsichtigkeit (Myopie) darstellen soll, findet keine Fokussierung auf der Netzhaut 32 statt. Vielmehr wird ein diffuses Bild von der Netzhaut 32 reflektiert, wie mit zweiten Lichtstrahlen 35a und 35b dargestellt . Diese Lichtstrahlen 35a, 35b schneiden sich in der Fokalebene des Auges 33 und erzeugen einen zum Objektiv 12 hin gerichteten Lichtkegel 36.2, if only the first row 20 of light-emitting diodes is switched on, it emits a first light beam 34, which falls through the lens 31 onto the retina 32. Since FIG. 2 is intended to represent the case of nearsightedness (myopia), there is no focusing on the retina 32. Rather, a diffuse image is reflected by the retina 32, as represented by second light beams 35a and 35b. These light beams 35a, 35b intersect in the focal plane of the eye 33 and generate a light cone 36 directed towards the objective 12.
Aufgrund des Maßes der Exzentrizität e, der ersten Reihe 20 von Leuchtdioden einerseits und des Ausmaßes der Kurzsichtigkeit des Auges 30 andererseits ist der Lichtkegel 36 hinsichtlich Neigungswinkel und Öffnungswinkel in vorbestimmter Weise ausgestaltet. In dem in Fig. 2 dargestellten Fall gelangt nur ein Teil des Lichtkegels 36, nämlich die dort schematisch angedeutete obere Hälfte 37, an der Blende 14 vorbei auf die Linse 13 des Objektivs 12 der Kamera 10. Diese obere Hälfte 37 ist ein Abbild der unteren Hälfte 38 der Pupille 39, wie Fig. 5 zeigt, wo das in Fig. 2 aufgenommene Videobild dargestellt ist .Because of the degree of eccentricity e, the first row 20 of light-emitting diodes on the one hand and the extent of the nearsightedness of the eye 30 on the other hand, the light cone 36 is designed in a predetermined manner with regard to the angle of inclination and the opening angle. In the case shown in FIG. 2, only part of the light cone 36, namely the upper half 37 indicated schematically there, passes the diaphragm 14 onto the Lens 13 of the lens 12 of the camera 10. This upper half 37 is an image of the lower half 38 of the pupil 39, as shown in FIG. 5, where the video image recorded in FIG. 2 is shown.
Man erkennt aus Fig. 5, daß die Kamera 10 ein Videobild der Pupille 39 aufnimmt, bei dem etwa die untere Hälfte der Pupille 39 hell erscheint, wie bei 38 mit einem "Halbmond", d.h. einem Kreisabschnitt, angedeutet.It can be seen from Fig. 5 that the camera 10 captures a video image of the pupil 39 in which approximately the lower half of the pupil 39 appears bright, as in 38 with a "crescent", i.e. a section of a circle.
Wird nun gemäß Fig. 3 statt der ersten Reihe 20 von Leuchtdioden zum Beispiel die vierte Reihe 23 eingeschaltet, so ergibt sich ein geringfügig modifizierter Strahlengang, bei dem der Lichtkegel 36a gegenüber der Situation in Fig. 2 nach unten gekippt ist, so daß der gesamte Lichtkegel 36a in den Bereich der Blende 14 fällt.3, instead of the first row 20 of light-emitting diodes, for example, the fourth row 23 is switched on, this results in a slightly modified beam path in which the light cone 36a is tilted downwards relative to the situation in FIG. 2, so that the entire Cone of light 36a falls in the area of the aperture 14.
Die zugehörige Fig. 7 zeigt, daß die Kamera 10 daher ein Videobild der Pupille 39 aufnimmt, das vollkommen unbeleuchtet ist .The associated FIG. 7 shows that the camera 10 therefore records a video image of the pupil 39 which is completely unilluminated.
Bei Zwischenwerten der Exzentrizität e erscheinen entsprechend kleinere "Halbmonde", wie in Fig. 6 veranschaulicht.At intermediate values of the eccentricity e, correspondingly smaller "crescents" appear, as illustrated in FIG. 6.
Fig. 4 zeigt demgegenüber den Fall eines weitsichtigen (hyper- open) Auges. In diesem Fall kreuzen sich die Lichtstrahlen erst hinter der Netzhaut 32, so daß ein Lichtkegel 36b entsteht, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Die obere Hälfte 37b des Lichtkegels 36b, die auf das Objektiv 12 fällt, bildet somit im Gegensatz zum kurzsichtigen Auge gemäß Fig. 2 und 3 ebenfalls die obere Hälfte 38b der Pupille ab. Dies iεt in Fig. 8 deutlich zu erkennen, wo der Fall dargestellt ist, daß nur die erste Reihe 20 von Leuchtdioden eingeschaltet ist. Die Fig. 9 und 10 zeigen analog zu den Fig. 6 und 7 die Situationen, bei denen die Exzentrizität e der Reihen 20 bis 23 zunimmt.4 shows the case of a farsighted (hyper-open) eye. In this case, the light beams only cross behind the retina 32, so that a light cone 36b is produced, as is shown in FIG. 4. In contrast to the short-sighted eye according to FIGS. 2 and 3, the upper half 37b of the light cone 36b, which falls on the objective 12, thus also depicts the upper half 38b of the pupil. This can be clearly seen in FIG. 8, where the case is shown that only the first row 20 of light-emitting diodes is switched on. 9 and 10 show, analogously to FIGS. 6 and 7, the situations in which the eccentricity e of the rows 20 to 23 increases.
Wenn nun statt nur einer einzigen Reihe 20 bis 23 von Leucht- dioden sämtliche Leuchtdioden gleichzeitig eingeschaltet werden, entsteht auf der Pupille 39 ein Bild mit kontinuierlich variierender Helligkeit, wie dies anhand eines Videobildes 50 in Fig. 11 dargestellt ist. Die Pupille 39 des Auges 30 hat bei dem Videobild 50 einen kontinuierlich variierenden Helligkeitsverlauf, bei dem ein unterer Bereich 51 der Pupille 39 hell und ein oberer Bereich 52 der Pupille 39 dunkler ist. Der Übergang ist dabei kontinuierlich.If instead of just a single row 20 to 23 of light-emitting diodes all light-emitting diodes are switched on at the same time, an image with continuously varying brightness is formed on the pupil 39, as is shown in FIG. The pupil 39 of the eye 30 has a continuously varying brightness curve in the video image 50, in which a lower region 51 of the pupil 39 is bright and an upper region 52 of the pupil 39 is darker. The transition is continuous.
Wenn man nun den Helligkeitsverlauf der Pupille 39 quantitativ vermessen will, so legt man ein Koordinatensystem y-x' über die Pupille 39. Die Ordinate y verläuft dann im wesentlichen rechtwinklig zum Durchmesser 15 der Blende 14. Die Abszisse x' ist im Fall der Fig. 11 an den unteren Rand der Pupille 39 gelegt .If one now wants to quantitatively measure the brightness curve of the pupil 39, a coordinate system yx 'is placed over the pupil 39. The ordinate y then runs essentially at right angles to the diameter 15 of the diaphragm 14. The abscissa x' is in the case of FIG. 11 placed at the bottom of the pupil 39.
Fig. 12 zeigt eine Kurvenschar 55 von Kurven 56 bis 58, bei denen die Helligkeit H in Abhängigkeit von der Ordinatenachse y dargestellt ist. Die Kurve 56 entspricht dabei in etwa dem Verlauf der Helligkeit H im Videobild 50 von Fig. 11, da die Helligkeit H mit zunehmender Ordinatenrichtung y abnimmt . Dies entspricht einer positiven Refraktion, wie mit positiven Dioptrien-Werten + D in Fig. 12 angedeutet ist.12 shows a family of curves 55 of curves 56 to 58, in which the brightness H is shown as a function of the ordinate axis y. Curve 56 corresponds approximately to the profile of brightness H in video image 50 from FIG. 11, since brightness H decreases with increasing ordinate direction y. This corresponds to a positive refraction, as indicated by positive diopter values + D in FIG. 12.
Die zweite Kurve 57 betrifft ein im wesentlichen normalsichtiges Auge, während die dritte Kurve 58 den Fall eines weitsichtigen Auges mit negtiver Refraktion (- D) darstellt. Mit ist der Steigungswinkel der näherungsweise geradlinig verlaufenden Kurven 56 bis 58 bezeichnet. Fig. 13 zeigt als Kennlinie eine Gerade 60. Die Gerade 60 stellt die lineare Abhängigkeit der Refraktion R (gemessen in Dioptrien D) von der Steigung tan a dar. Wie mit einem Punkt 61 auf der Geraden 60 veranschaulicht, entspricht zum Beispiel eine Steigung von 0,3 einer Refraktion von 3 Dioptrien. Dies bedeutet, daß man mit einer Messung gemäß Fig. 11 den Helligkeitsverlauf H (y) ermitteln und aus der Steigung des Helligkeitsverlaufes über die Kennlinie gemäß Fig. 13 unmittelbar die Refraktion R in Dioptrien D feststellen kann.The second curve 57 relates to an essentially normal-sighted eye, while the third curve 58 represents the case of a far-sighted eye with negative refraction (- D). With the slope angle of the approximately rectilinear curves 56 to 58 is designated. 13 shows a straight line 60 as a characteristic curve. The straight line 60 represents the linear dependence of the refraction R (measured in diopter D) on the slope tan a. As illustrated by a point 61 on the straight line 60, a slope corresponds to, for example 0.3 a refraction of 3 diopters. This means that the brightness curve H (y) can be determined with a measurement according to FIG. 11 and the refraction R in diopter D can be determined directly from the gradient of the brightness curve via the characteristic curve according to FIG. 13.
Fig. 14 zeigt eine ersten Meßanordnung 70 für Anwendungen in der Augenheilkunde.14 shows a first measuring arrangement 70 for applications in ophthalmology.
Man erkennt die Videokamera 10 mit den Leuchtdioden-Reihen 20 und der optischen Achse 26. Ein Patient ist so positioniert, daß sein Auge 30 in der optischen Achse 26 liegt. Die Videokamera 10 nimmt wiederum die Pupille 39 des Auges 30 als Videobild auf .One recognizes the video camera 10 with the light-emitting diode rows 20 and the optical axis 26. A patient is positioned so that his eye 30 lies in the optical axis 26. The video camera 10 again records the pupil 39 of the eye 30 as a video image.
Um die anhand der Fig. 11 bis 13 beschriebenen Messungen für verschiedene Meßpunkte auf der Netzhaut durchzuführen, muß die Blickrichtung des Auges 30 variiert und jeweils quantitativ erfaßt werden.In order to carry out the measurements described with reference to FIGS. 11 to 13 for different measuring points on the retina, the viewing direction of the eye 30 must be varied and quantified in each case.
Zu diesem Zweck wird die relative Position des ersten Purkin- je'εchen Reflexes 72 in der Pupille 39 innerhalb des aufgenommenen Videobildes erfaßt.For this purpose, the relative position of the first Purkinje reflex 72 in the pupil 39 is recorded within the recorded video image.
Die untersuchende Person führt eine Marke 71 entlang von Koordinatenrichtungen y, x, die zur optischen Achse 26 jeweils im wesentlichen rechtwinklig verlaufen. Das Koordinatensystem y-x ist in Fig. 14 mit 73 bezeichnet. Die von der Videokamera 10 aufgenommenen Videobilder werden über eine Leitung 75 einer Meß- und Anzeigevorrichtung 80 zugeführt. Die Vorrichtung 80 umfaßt eine Recheneinheit 81, die unter anderem einen Kennlinienspeicher 82 umfaßt. Die Vorrichtung 80 umfaßt ferner eine Anzeigeeinheit 85 mit vorzugsweise fünf verschiedenen Anzeigen 86, 87, 88, 89 und 90.The examining person guides a mark 71 along coordinate directions y, x, which are each essentially perpendicular to the optical axis 26. The coordinate system yx is designated 73 in FIG. 14. The video images recorded by the video camera 10 are fed via a line 75 to a measuring and display device 80. The device 80 comprises a computing unit 81 which, among other things, comprises a characteristic curve memory 82. The device 80 further comprises a display unit 85 with preferably five different displays 86, 87, 88, 89 and 90.
Die erste Anzeige 86 stellt das aufgenommene Videobild der Pupille 39 dar.The first display 86 shows the recorded video image of the pupil 39.
Die zweite Anzeige 87 symbolisiert das Koordinatensystem y-x 73 bzw. die Position der darin bewegten Marke 71.The second display 87 symbolizes the coordinate system y-x 73 or the position of the mark 71 moved therein.
Die dritte Anzeige 88 stellt die Refraktion R über der Zeit t als Kurve 93 für jede Abtastung dar, die z.B. mit einer Wiederholfrequenz von 25 Hz automatisch durchgeführt wird.The third display 88 represents the refraction R over time t as curve 93 for each scan, e.g. is carried out automatically with a repetition frequency of 25 Hz.
Die vierte Anzeige 89 zeigt den bereits anhand von Fig. 12 dargestellten Helligkeitsverlauf .The fourth display 89 shows the brightness curve already shown with reference to FIG. 12.
Die fünfte Anzeige 90 schließlich dient der Abtastkontrolle, d.h. sie ermöglicht der untersuchenden Person, festzustellen, ob über die handgeführte Marke 71 bereits der gesamte Untersuchungsbereich abgetastet wurde oder nicht.Finally, the fifth display 90 is used for scan control, i.e. it enables the examining person to determine whether the entire examination area has already been scanned via the hand-held marker 71 or not.
Wird die Marke 71 nicht von Hand sondern mittels einer mechanischen oder optischen Vorrichtung automatisch geführt, so können die Koordinaten x und y der Vorrichtung 80 über einen Eingang 95 zugeführt werden.If the mark 71 is not guided manually but rather automatically by means of a mechanical or optical device, the coordinates x and y can be fed to the device 80 via an input 95.
Wie bereits erwähnt wurde, wird die Versuchsperson in einer Entfernung von ca. 1,2 m von der Kamera 10 positioniert. Die Refraktionsmessungen werden dann mit einer Wiederholfrequenz von z B. 25 Hz automatisch durchgeführt Die Blickrichtung des Auges 30 wird simultan durch die relative Position des ersten Purkmje' sehen Reflexes 72 m der Pupille 39 aufgezeichnet Die untersuchende Person führt die Marke 71, bspw einen Bleistift oder ein kleines Bild, im Gesichtsfeld der Versuchsperson hm und her. Er bemüht sich dabei, das Gesichtsfeld der Versuchsperson möglichst flächendeckend zu fahrenAs already mentioned, the test subject is positioned at a distance of approximately 1.2 m from the camera 10. The refraction measurements are then carried out at a repetition frequency automatically performed by, for example, 25 Hz. The viewing direction of the eye 30 is simultaneously recorded by the relative position of the first Purkmje 'see reflex 72 m of the pupil 39. The examining person carries the mark 71, for example a pencil or a small image, in the visual field of the eye Subject hm and fro. He strives to cover the subject's field of vision as far as possible
In der weiter oben anhand der Fig 11 bis 13 erläuterten Weise werden nun die Refraktionswerte R bestimmt und m Abhängigkeit von der zugehörigen Blickwmkelposition m der Recheneinheit 81 zwischengespeichert. Die Erhebungεwerte z werden nun über im Kennli ienspeicher 82 abgelegte Kennlinien R(z) ermittelt Die Kennlinien werden aus den bekannten optischen Daten des Auges 30 ermittelt, wobei man sich diejenigen Überlegungen zunutze macht, die hinsichtlich der Achsenhyperopie bzw Achsenmyopie bekannt sind Danach entspricht nämlich eine gewisse Fehlsichtigkeit (Refraktion) einem zu kurz bzw zu weit gebauten Auge, wobei der Brennpunkt der Augenlinse ohne Einsatz korrigierender Gläser hinter bzw vor der Netzhaut liegt Umgekehrt kann man daher über die Refraktion eines bestimmten Meßpunktes auf der Netzhaut dessen Erhebung relativ zu einer Referenzebene bestimmen.In the manner explained above with reference to FIGS. 11 to 13, the refraction values R are now determined and m stored in the computing unit 81 as a function of the associated viewing angle position m. The survey values z are now determined via characteristic curves R (z) stored in the characteristic memory 82. The characteristic curves are determined from the known optical data of the eye 30, taking advantage of the considerations which are known with regard to the axis hyperopia or axis myopia Certain ametropia (refraction) of an eye that is too short or too wide, the focal point of the eye lens being behind or in front of the retina without the use of corrective glasses. Conversely, the refraction of a certain measuring point on the retina can be used to determine its elevation relative to a reference plane.
In der Praxis erreicht man bspw bei 1 Grad Winkelauflösung eine Tiefenauflöεung m der Größenordnung von 0,1 mm, begrenzt durch die optische Qualität des AugesIn practice, for example, with an angular resolution of 1 degree, a depth resolution of the order of 0.1 mm is achieved, limited by the optical quality of the eye
Bei der m Fig 15 dargestellten Variante dient eine Meßanordnung 98 zum Vermessen der Topographie eines leblosen Meßobiektes, bspw eines Werkstücks, eines integrierten Schaltkreises eines Gebißabdrucks oder dergleichen Die Meßanordnung entspricht hinsichtlich der Anordnung der Videokamera 10 sowie der Meß- und Anzeigevorrichtung 80 im wesentlichen der Anordnung gemäß Fig. 14, so daß gleiche Bezugszeichen in Fig. 15 für die gleichen Elemente verwendet wurden und zur Erläuterung insoweit auf die Erläuterungen zu Fig. 10 verwiesen werden darf.In the variant shown in FIG. 15, a measuring arrangement 98 is used to measure the topography of a lifeless measuring object, for example a workpiece, an integrated circuit of a denture impression or the like With regard to the arrangement of the video camera 10 and the measuring and display device 80, the measuring arrangement essentially corresponds to the arrangement according to FIG. 14, so that the same reference numerals have been used in FIG. 15 for the same elements and for explanation in this respect to the explanations for FIG. 10 may be referred.
In Abweichung zur Anordnung gemäß Fig. 14 ist bei der Anordnung gemäß Fig. 15 ein Objektträger 100 vorgesehen, der von einem Kreuztisch 101 in Richtung eines Koordinatensystems y-x verfahren werden kann, wobei die Achsen y und x im wesentlichen rechtwinklig zur optischen Achse 26 verlaufen.In contrast to the arrangement according to FIG. 14, a slide 100 is provided in the arrangement according to FIG. 15, which can be moved from a cross table 101 in the direction of a coordinate system y-x, the axes y and x being essentially perpendicular to the optical axis 26.
Der Objektträger 100 ist seitlich mit einem Arm 103 versehen, der an seinem freien Ende einen Leuchtpunkt 104, bspw. eine Leuchtdiode, trägt. Der Leuchtpunkt 104 ist so positioniert, daß er im Videobild der Videokamera 110 erscheint.The specimen slide 100 is laterally provided with an arm 103, which carries a light point 104, for example a light-emitting diode, at its free end. Illuminated dot 104 is positioned such that it appears in the video image of video camera 110.
Ein Meßobjekt 105 ist auf dem Objektträger 100 befestigt. Zwischen Meßobjekt 105 und Videokamera 10 ist ein Objektiv 106 angeordnet, bspw. ein handelsübliches Objektiv einer Film- oder Fotokamera.A measurement object 105 is attached to the slide 100. A lens 106, for example a commercially available lens of a film or photo camera, is arranged between the measurement object 105 and the video camera 10.
Zum Vermessen der Erhebung unterschiedlicher Meßpunkte auf der Oberfläche des Meßobjektes 105 könnte man nun das Objektiv 106 in verschiedene "Blickrichtungen" kippen, wie dies in ähnlicher Weise bei der ophthalmologisehen Untersuchung gemäß Fig. 14 geschieht. Dies würde bedeuten, daß man auf dem Objektiv 106 ebenfalls den Purkinje' sehen Reflex erfassen müsse, was jedoch bei einem mehrlinsigen Objektiv zu Problemen führen kann, weil jede Linse des Objektivs jeweils zwei derartige Reflexe, nämlich jeweils an der Vorderseite und an der Rückseite, erzeugt. Darüber hinaus verändert sich bei handelsüblichen Objektiven die Refraktion, wenn der Strahlengang nicht parallel sondern schräg zur optischen Achse verläuft.In order to measure the elevation of different measurement points on the surface of the measurement object 105, the objective 106 could now be tilted into different “viewing directions”, as is done in a similar way in the ophthalmological examination according to FIG. 14. This would mean that the Purkinje 'reflex must also be detected on the lens 106, but this can lead to problems with a multi-lens lens, because each lens of the lens has two such reflections, namely on the front and on the back, generated. In addition, the changes in commercial lenses Refraction if the beam path is not parallel but at an angle to the optical axis.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung geht man daher so vor, daß man das Meßobjekt 105 durch Verfahren des Objektträgers 100 entlang der Koordinaten x, y verschiebt und das Objektiv 106 raumfest zwischen Videokamera 10 und Meßobjekt 105 positioniert .In the context of the present invention, the procedure is therefore to move the measurement object 105 by moving the object carrier 100 along the coordinates x, y and to position the objective 106 fixed between the video camera 10 and the measurement object 105.
Um in diesem Falle die jeweilige Position des Meßpunktes zu erfassen, wird in starrer Koppler mit dem Meßobjekt 105 der Leuchtpunkt 104 erfaßt und in dem aufgenommenen Videobild mit abgebildet, so daß eine exakte Zuordnung des Meßpunktes zur Oberfläche des Meßobjektes 105 möglich ist.In order to detect the respective position of the measurement point in this case, the light point 104 is detected in a rigid coupler with the measurement object 105 and is also shown in the recorded video image, so that an exact assignment of the measurement point to the surface of the measurement object 105 is possible.
In einem Beispielsfall kann als Objektiv 106 ein handelsübliches Objektiv einer Fotokamera mit 50 mm Brennweite verwendet werden. Einer Refraktionsänderung von 0,1 Dioptrien entspricht dabei einer Veränderung der Erhebung in der Tiefe (z) von etwa 0,208 mm. Da man mit der beschriebenen Refraktionsmessung eine Auflösung der Refraktion in der Größenordnung von 0,02 Dioptrien erreichen kann, liegt die Genauigkeit in der Messung der Erhebung unter 40 /im. Diese Genauigkeit ist linear über mindestens einen Bereich von etwa 2 mm in der Tiefe gegeben. Diese Genauigkeit kann durch Verwendung höherwertiger Objektive jedoch noch erheblich verbessert werden.In one example case, a commercially available lens of a photo camera with a focal length of 50 mm can be used as the lens 106. A refraction change of 0.1 diopter corresponds to a change in the elevation in depth (z) of approximately 0.208 mm. Since the refraction measurement described can achieve a resolution of the refraction of the order of 0.02 diopter, the accuracy in the measurement of the elevation is below 40 / im. This accuracy is given linearly over at least a range of approximately 2 mm in depth. However, this accuracy can be significantly improved by using higher quality lenses.
Die Auflösung in der Bildebene x/y hängt von der Auflösung des Videobildes und von der Präziεion deε Kreu∑tiεchs 101 ab.The resolution in the image plane x / y depends on the resolution of the video image and on the precision of the cross 101.
Wenn bei einer Anordnung gemäß Fig. 15 Meßobjekte vermessen werden sollen, deren Oberfläche nicht-homogene Reflexionseigenschaften aufweist, würde dies zu Meßfehlern führen, wenn die Helligkeitsverläufe durch das Reflexionεverhalten deε jeweiligen Meßpunkteε beeinflußt werden.If, in an arrangement according to FIG. 15, measurement objects are to be measured whose surface has non-homogeneous reflection properties, this would lead to measurement errors if the brightness profiles are influenced by the reflection behavior of the respective measuring points.
In derartigen Fällen ist es daher vorteilhaft, statt deε Meßobjekteε selbst einen Negativabdruck des Meßobjekteε zu vermesεen, der mit einer optiεch homogenen Abdruckmasse (z.B. Plastilin) hergestellt wurde. In such cases it is therefore advantageous to measure a negative impression of the measurement object itself, which was made with an optically homogeneous impression compound (e.g. plasticine) instead of the measurement object itself.

Claims

Patentansprücheclaims
Verfahren zum Vermessen einer Erhebung (z) einer Oberfläche eines hinter einer Linse (31; 106) angeordneten Objektes (32; 105) mit den Schritten:Method for measuring an elevation (z) of a surface of an object (32; 105) arranged behind a lens (31; 106), comprising the steps:
a) Aufnehmen eines Videobildes (50) der Oberfläche mittels einer Kamera (10) , deren Objektiv (12) mittels einer im wesentlichen halbkreisförmigen Blende (14) im wesentlichen halb abgedeckt ist;a) recording a video image (50) of the surface by means of a camera (10), the lens (12) of which is essentially half covered by means of an essentially semicircular diaphragm (14);
b) Beleuchten der Oberfläche mittels einer Mehrzahl von vor der Blende (14) angeordneten Lichtquellen (20 bis 23) ; b) illuminating the surface by means of a plurality of light sources (20 to 23) arranged in front of the diaphragm (14) ;
c) Messen des Helligkeitsverlaufes (56 bis 58) des Videobildes (50) entlang einer Achse (y) , die im wesentlichen auf dem die Blende (14) begrenzenden Durchmesser (15) senkrecht steht;c) measuring the brightness curve (56 to 58) of the video image (50) along an axis (y) which is essentially perpendicular to the diameter (15) delimiting the diaphragm (14);
d) Erfassendersteigung (tanα.) des Helligkeitsverlaufes (56 bis 58) ; undd) detection increase (tanα.) of the brightness curve (56 to 58); and
e) Bestimmen der Erhebung (z) aus der Steigung (tan o.) anhand einer vorbestimmten, die Refraktion (R) der Linse (31; 106) relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie (60, 82) .e) determining the elevation (z) from the slope (tan o.) on the basis of a predetermined characteristic curve (60, 82) taking into account the refraction (R) of the lens (31; 106) relative to the surface.
BERlCHT.GTES BLATT (REGEL91) ISA/EP BERl CHT.GTES BLATT (REGEL91) ISA / EP
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermessen der Topographie der Oberfläche die Erhebung (z) an einer Vielzahl von Punkten der Oberfläche gemessen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that to measure the topography of the surface, the elevation (z) is measured at a plurality of points on the surface.
3. Verfahren nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv eine Netzhaut (32) eines Auges (30) ist.3. The method according to claim l or 2, characterized in that the lens is a retina (32) of an eye (30).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagebesti mung einzelner Meßpunkte auf der Netzhaut4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the position determination of individual measuring points on the retina
(32) zunächst die optischen Achsen (26) der Kamera (10) und des Auges (30) zur Deckung gebracht werden und dann eine Marke (71) entlang von zur optischen Achse (26) im wesentlichen rechtwinklig verlaufenden Koordinaten (y, x) verfahren wird, wobei die Blickrichtung des der Marke (71) folgenden Auges (30) aus der Position des im Videobild (50) erscheinenden Purkinje' sehen Reflexes (72) auf der Linse (31) des Auges (30) bestimmt wird.(32) first the optical axes (26) of the camera (10) and the eye (30) are brought into register and then a mark (71) along coordinates (y, x) which are essentially perpendicular to the optical axis (26) The viewing direction of the eye (30) following the mark (71) is determined from the position of the Purkinje reflex (72) appearing in the video image (50) on the lens (31) of the eye (30).
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein lebloses Meßobjekt (105) ist.5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the object is a lifeless measuring object (105).
6. Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagebestimmung einzelner Meßpunkte auf dem Meßobjekt6. The method according to claim 2 and 5, characterized in that for determining the position of individual measuring points on the measurement object
(105) , dessen Oberfläche rechtwinklig zur optischen Achse(105), whose surface is perpendicular to the optical axis
(26) der Kamera (10) angeordnet und ein Objektiv (106) auf der optischen Achse (26) raumfest zwischen Kamera (10) und Meßobjekt (105) positioniert wird, daß das Meßobjekt(26) of the camera (10) and a lens (106) is positioned on the optical axis (26) between the camera (10) and the measurement object (105) so that the measurement object
(105) entlang von zur optischen Achse (26) im wesentlichen rechtwinkligen Koordinaten (y, x) verfahren wird und daß die Position des Schnittpunktes der optischen Achse (26) mit der Oberfläche aus der Position eines mit dem Meßobjekt e) Mitteln zum Bestimmen der Erhebung (z) aus der Steigung (tan a) anhand einer vorbestimmten, die Refraktion (R) der Linse (31; 106) relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie (60; 82).(105) is moved along coordinates (y, x) which are substantially perpendicular to the optical axis (26) and that the position of the point of intersection of the optical axis (26) with the surface from the position of one with the measurement object e) means for determining the elevation (z) from the slope (tan a) on the basis of a predetermined characteristic curve (60; 82) taking into account the refraction (R) of the lens (31; 106) relative to the surface.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß zum Vermessen der Topographie eine Netzhaut (32) eines Auges (30) vorgesehen sind:11. The device according to claim 10, characterized in that a retina (32) of an eye (30) are provided for measuring the topography:
a) eine Anordnung zum Fixieren deε Auges (30) auf der optischen Achse (24) des Objektives (12) ;a) an arrangement for fixing the eye (30) on the optical axis (24) of the objective (12);
b) eine Anordnung zum Verfahren einer Marke (71) entlang von zur optischen Achse (24) im wesentlichen senkrecht verlaufenden Koordinaten (y, x) ; sowieb) an arrangement for moving a mark (71) along coordinates (y, x) which are substantially perpendicular to the optical axis (24); such as
c) eine Anordnung zur Bestimmung des im Videobild (50) erscheinenden Purkinje' sehen Reflexes (72) auf der Linse (31) des Auges (30) .c) an arrangement for determining the Purkinje 'reflex (72) appearing in the video image (50) on the lens (31) of the eye (30).
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß zum Vermessen der Topographie einer Oberfläche eines leblosen Meßobjektes (105) vorgesehen sind:12. The apparatus according to claim 10, characterized in that are provided for measuring the topography of a surface of a lifeless measurement object (105):
a) eine Anordnung zum Ausrichten der Oberfläche rechtwinklig zur optischen Achse (24) der Kamera (10) ,-a) an arrangement for aligning the surface perpendicular to the optical axis (24) of the camera (10),
b) ein raumfest zwischen der Kammer (10) und dem Meßobjekt (105) auf der optischen Achse (24) positioniertes Objektes (106) ;b) an object (106) positioned fixedly between the chamber (10) and the measurement object (105) on the optical axis (24);
c) eine Anordnung zum Verfahren des Meßobjektes (105) entlang von zur optischen Achse (24) im wesentlichen senkrecht verlaufenden Achsen (y, x) , wobei ein Leuchtpunkt (104) mit dem Meßobjekt (105) starr verbunden ist; undc) an arrangement for moving the measurement object (105) along the optical axis (24) essentially perpendicular axes (y, x), a luminous point (104) being rigidly connected to the measurement object (105); and
eine Anordnung zum Bestimmen der Position des Schnittpunktes der optischen Achse (26) mit der Oberfläche aus der Position des Leuchtpunktes (104) im Videobild. an arrangement for determining the position of the point of intersection of the optical axis (26) with the surface from the position of the illuminated point (104) in the video image.
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