WO2019121922A1 - Anordnung zur bestimmung der topographie der kornea eines auges - Google Patents

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WO2019121922A1
WO2019121922A1 PCT/EP2018/085850 EP2018085850W WO2019121922A1 WO 2019121922 A1 WO2019121922 A1 WO 2019121922A1 EP 2018085850 W EP2018085850 W EP 2018085850W WO 2019121922 A1 WO2019121922 A1 WO 2019121922A1
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WO
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cornea
pattern
unit
arrangement according
designed
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PCT/EP2018/085850
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ferid Bajramovic
Konrad SCHÖBEL
Daniel Bublitz
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec Ag
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Publication date
Application filed by Carl Zeiss Meditec Ag filed Critical Carl Zeiss Meditec Ag
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/107—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for determining the shape or measuring the curvature of the cornea
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns

Definitions

  • the present invention relates to a system for determining the surface shape of the cornea of an eye by evaluating the mirror image of a spatially distributed pattern, in particular a ring or dot pattern.
  • the surface measurement of the cornea of the human eye proves to be difficult in that the measurement is significantly disturbed, inter alia, by eye movements, blinking, eyelashes, tear film and impurities of the eye.
  • the cornea is the foremost part of the eye and has a bulging, specific geometry. To capture this geometric shape of the anterior surface of the cornea as a whole, one makes use of the topography.
  • the front surface shape may vary, with two of the most important and well-known ones being the spherical (spherical) and the astigmatic (curved) cornea.
  • the topography of the corneal surface is reconstructed from a pattern imaged on the front side of the cornea by means of projection optics and recorded with the aid of a camera.
  • Decisive here is the assignment of the individual elements of the pattern to the corresponding elements of the (same) pattern for a corresponding reference surface. From the deviations of the positions of the individual elements of the pattern, the deviations of the geometrical shape of the cornea relative to this reference surface can be determined.
  • topographs the use of Placido disks for generating concentric rings is the most widespread.
  • Placido discs can be designed both as a flat disc. Placido disks of this type are well known in the state of the art and are described, for example, in US Pat. Nos. 5,110,200 A and 5,194,882 A, but more spherical are spherical (US Pat. No. 5,864,383 A) or funnel-shaped (US Pat. No. 5,684,562 A, US Pat. No. 6,116,738 A) ) Placido slices.
  • the solution described in DE 10 2011 102 355 A1 also relates to a system for determining the surface shape of the cornea by evaluating the mirror image of a spatially distributed ring pattern, which is generated by a gefresnelten axicon with annular structures of different radii.
  • the scanned axicon is illuminated over its entire surface by a lighting unit.
  • the evaluation of the mirror image of the spatially distributed ring pattern takes place by means of a telecentric, distance-independent image acquisition.
  • a disadvantage of this solution is the use of reflective surfaces in the material, since here surface defects affect much more on the collimation of the incident light as in refractive surfaces. Furthermore, the rays divergent between the light source and the collimating optics, so that smaller free diameters are available in this space than between the collimating optics and the focussed axicon.
  • the system described in DE 10 2011 102 354 A1 for determining the surface shape of the cornea of an eye is based on a special Placido disc with telecentric image evaluation.
  • the Placido disc has halved, toroidal elements with a semicircular cross-section that have different radii and whose anterior, spherical or aspherical surfaces are directed toward the cornea of the eye.
  • the illumination of the placido disc is effected by LEDs, which are respectively arranged in the focus of the halved, toroidal elements in order to realize the projection of the rings of the placido disc in the direction of the cornea of the eye to infinity.
  • topographers have also established a point pattern with up to 10,000 measurement points on the cornea to be measured. This has the advantage that the cornea can be measured with high precision.
  • a very high number of measuring points eg> 1000
  • There is also the danger that adjacent measurement points touch and can not be separated during further processing similar to contact rings, see above).
  • DE 10 2016 216611.5 which has not yet been published, describes a distance-independent measuring system which images a dot pattern on the cornea to be measured.
  • the described in DE 10 2011 102 355 A1 described winged axicon was modified so that the annular Structures have additional facet lenses, whereby advantageous optical properties of the projection can be achieved.
  • the solution described here has a low installation depth.
  • the threaded Axicon can be inexpensively and easily manufactured as an injection molded part.
  • the resulting pattern consists of a plurality of concentrically arranged rings of, for example, equidistantly arranged points, whereby a central, inner area remains free for the observation optics here as well.
  • this special arrangement of the points plays no part in the invention described below.
  • telentrically detected points of the innermost ring are first detected in the image, and each point is assigned to a reference point on the basis of polar angles.
  • the remaining points are then allocated iteratively, by local assignment of points in the environment of already assigned points.
  • a disadvantage of this method is that it is very sensitive to local and global distortions or deformations of the dot pattern, as a result of which a local assignment error can propagate over large parts of the pattern.
  • the object of the present invention is to develop a solution for determining the topography of the cornea of an eye, which overcomes the disadvantages of the solutions known from the prior art and a fast, simple and reliable assignment of the individual elements of the pattern to the corresponding elements of the pattern for a corresponding reference area are allowed in order to substantially increase the reliability of the reconstructed topography of the corneal surface.
  • this object is achieved with the arrangement for determining the topography of the cornea of an eye, comprising an element arranged in a illumination beam path for generating a pattern and an illumination unit, an image acquisition unit arranged in a detection beam path, and a control and evaluation unit in that the element for generating a pattern and the illumination unit are designed to sequentially illuminate the cornea with at least two partial patterns, that the image acquisition unit consisting of an imaging system and an image sensor is designed for telecentric, distance-independent image acquisition and that the control unit and evaluation unit is designed to control the illumination unit and the image sensor accordingly and to reconstruct the topography of the cornea from the images of the image sensor.
  • the element for generating a pattern is designed to generate a dot pattern.
  • This dot pattern is in the form of two or more sub-patterns one after the other, i. H. imaged on the cornea in the shortest possible time interval, these partial patterns touching or overlapping.
  • Figure 1 the design of a used for the production of the dot pattern
  • FIG. 2 shows the dot pattern generated by the facet lens according to FIG.
  • FIG. 3 shows an overall image of the spot pattern reflected by the cornea and taken by the image recording unit in the case of full-surface illumination
  • FIG. 4 shows a facet lens with illumination unit used to produce two partial patterns
  • FIG. 5 shows a partial pattern generated by the facet lens according to FIG. 4 and FIG. 5
  • FIG. 6 an overall image composed of two individual images of the spot pattern reflected by the cornea and taken by the image acquisition unit in the case of half-side illumination.
  • the proposed arrangement for determining the topography of the cornea of an eye consists of an element arranged in an illumination beam path for generating a pattern and an illumination unit, an image acquisition unit arranged in a detection beam path, and a control and evaluation unit.
  • FIG. 1 shows the design of a facet lens used to create the dot pattern.
  • the facet lens 1 has annular structures 2, which are provided with faceted lenses 3.
  • the center of the facet lens 1 is free of annular structures, since here the detection beam path 4 runs.
  • FIG. 2 shows the complete dot pattern generated by the facet lens 1, ie with a full-area illumination.
  • the individual telecentrically detected points of the innermost ring are first detected in the image, assigned to a reference point and the remaining points are assigned iteratively. Because the iterative mapping is based on points already assigned in the environment, local mappings can propagate over small or larger parts of the pattern.
  • FIG. 3 shows an overall image of the spot pattern reflected by the cornea and taken by the image recording unit in the case of full-surface illumination. Incorrect point assignments are marked with a cross.
  • the element for producing a pattern and the lighting unit are designed to illuminate the cornea in succession with at least two partial patterns.
  • the image recording unit consisting of an imaging system and an image sensor is designed for telecentric, distance-independent image acquisition.
  • the control and evaluation unit is designed to control the illumination unit and the image sensor accordingly and to reconstruct the topography of the cornea from the images of the image sensor.
  • the element for generating a pattern and the illumination unit are designed to generate a dot pattern.
  • This dot pattern is divided into at least two partial patterns, sequentially imaged onto the cornea and each captured as an image.
  • the assignment of the individual points of the pattern to the corresponding points of the reference pattern is considerably simplified since only one part per frame the points is visible and thus additional information about the localization of the individual reference points in the individual images is known.
  • a nested axicon according to DE 10 2011 102 355 A1 is used whose ring-shaped structures have additional facet lenses.
  • the lighting unit consists of a two-part mirror and two LED lights, which illuminate the threaded axicon separately with faceted lenses (hereafter referred to as the facetted lens), each half illuminated one after the other.
  • FIG. 4 shows a facetted lens with illumination unit used to produce two partial patterns.
  • the illumination unit consists of a two-part mirror 5 and two LED lights 6 and 7. To generate two partial patterns, the LED lights 6 and 7 are actuated one after the other and illuminate the eye, not shown, one after the other via the facet lens 1 each a partial pattern.
  • the two-part mirror 5 has in its center an opening through which the detection beam path 4 extends.
  • FIG. 5 shows a partial pattern produced by the facet lens according to FIG.
  • the area of contact or overlap has the largest possible number of projected points, since there is no or only little coverage by eyelashes or eyelids.
  • FIG. 6 shows an overall image of the spot pattern reflected by the cornea and taken by the image recording unit in the case of half-side illumination. Incorrect point assignments are also marked with a cross.
  • the iterative assignment of points to reference points beginning at the boundary between the sub-patterns is performed again if the use of the binary information leads to a different assignment than would be the case without them.
  • the assignment errors (crosses) in FIG. 6 would be reassigned starting at the boundary between the sub-patterns "iterating backwards". The error propagation can be reduced even further.
  • the element for generating a pattern and the illumination unit are designed to illuminate the cornea successively with three or more partial patterns, the partial patterns being imaged on the cornea overlapping or next to one another.
  • the dot pattern consists of the three subpatterns A, B, and C, then for ease of assignment it is sufficient to illuminate the cornea successively as follows:
  • the partial patterns B and C imaged on the cornea.
  • the element for generating a pattern and the lighting unit are designed to illuminate the cornea with subpatterns in the shortest possible time interval. This avoids that the results are falsified by an eye movement between the images.
  • the control and evaluation unit is designed in accordance with a third advantageous embodiment to control the lighting unit and the image sensor synchronously.
  • the illumination unit in such a way that the partial patterns with different light intensity or different colors are imaged on the cornea. This considerably simplifies the assignment of the individual points to a reference point.
  • the control and evaluation unit can also be designed to illuminate the cornea with overlapping partial patterns, wherein the partial patterns are combined from individual points which are not immediately next to one another.
  • each individual partial pattern can be imaged several times onto the cornea, wherein the imaged dot pattern of the respectively imaged partial pattern is varied. From the partial pattern to be imaged, a number of varying points are selected and displayed. It is particularly advantageous to code the individual points of the partial pattern via an on-off sequence, wherein the coding of closely spaced points is preferably different. This allows a virtually error-free assignment of the individual points to a reference point.
  • an arrangement is provided for determining the topography of the cornea of an eye, which is based on the evaluation of the mirror image of a spatially distributed pattern, in particular a ring or dot pattern.
  • the disadvantages of the known from the prior art solutions are resolved and a fast, easy and secure assignment of the individual elements of the pattern to the corresponding elements of the pattern for a corresponding reference surface allows where through the reliability of the reconstructed topography the corneal surface is significantly increased.
  • the topography of the front surface of the cornea of an eye may, in principle, also be used for other technical fields in which the topography of a specular, geometric surface is to be determined.
  • other patterns may also be used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestinnnnung der Oberflächenform der Kornea eines Auges durch Auswertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Musters. Die vorgeschlagene Anordnung besteht aus einem Element zur Erzeugung eines Musters und einer Beleuchtungseinheit, einer Bildaufnahmeeinheit und einer Steuer- und Auswerteeinheit. Erfindungsgemäße sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea mit mindestens zwei Teilmustern nacheinander zu beleuchten, wobei die Bildaufnahmeeinheit für eine telezentrische, entfernungsunabhängige Bilderfassung ausgebildet ist. Von der Steuer- und Auswerteeinheit werden die Beleuchtungseinheit und die Bilderfassung gesteuert und die Topografie der Kornea rekonstruiert. Obwohl die vorgeschlagene technische Lösung speziell für die Bestimmung der Oberflächenform, d. h. der Topografie, der Vorderfläche der Kornea eines Auges vorgesehen ist, kann sie prinzipiell auch für andere technische Gebiete eingesetzt werden, bei denen die Topografie einer spiegelnden, geometrischen Oberfläche bestimmt werden soll.

Description

Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Oberflächen- form der Kornea eines Auges durch Auswertung des Spiegelbildes eines räum- lich verteilten Musters, insbesondere eines Ring- oder Punktmusters.
Eine dreidimensionale Vermessung geometrischer Oberflächen, in unserem Fall der Hornhaut eines Auges, wird auch als Topografie bezeichnet. Die Ober- flächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges erweist sich dahin- gehend schwierig, dass die Messung unter anderem durch Augenbewegungen, Lidschlag, Wimpern, Tränenfilm und Verunreinigungen des Auges erheblich ge- stört wird.
Die Hornhaut (Kornea) ist der vorderste Abschnitt des Auges und weist eine vorgewölbte, spezifische Geometrie auf. Um diese geometrische Form der Hornhautvorderfläche in ihrer Gesamtheit zu erfassen bedient man sich der To- pographie. Die Vorderflächenform kann dabei variieren, wobei zwei der wich- tigsten und auch allgemein bekanntesten, die sphärische (kugelförmig) und die astigmatische (verkrümmte) Hornhaut sind.
Für die Erfassung der geometrischen Form der Hornhautvorderfläche wird aus einem auf die Vorderseite der Hornhaut mittels einer Projektionsoptik abgebil- deten und mit Hilfe einer Kamera aufgenommenen Musters die Topographie der Hornhautoberfläche rekonstruiert. Entscheidend ist hierbei die Zuordnung der einzelnen Elemente des Musters zu den entsprechenden Elementen des (gleichen) Musters für eine entsprechende Referenzfläche. Aus den Abwei- chungen der Positionen der einzelnen Elemente des Musters lassen sich die Abweichungen der geometrischen Form der Hornhaut gegenüber dieser Refe- renzfläche ermitteln. Nach dem bekannten Stand der Technik ist bei sogenannten Topographen die Verwendung von Placido-Scheiben zur Erzeugung konzentrischer Ringe am weitesten verbreitet.
Die Placido-Scheiben können dabei sowohl als plane Scheibe ausgeführt sein. Derartige plane Placido-Scheiben sind zwar im Stand der Technik hinreichend bekannt und beispielsweise in US 5,110,200 A und US 5,194,882 A beschrie- ben, verbreiteter sind allerdings sphärisch gewölbte (US 5,864,383 A) oder auch trichterförmige (US 5,684,562 A, US 6, 116,738 A) Placido-Scheiben.
Die in der DE 10 2011 102 355 A1 beschriebene Lösung betrifft ebenfalls ein System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea durch Auswertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Ringmusters, wobei diese von ei- nem gefresnelten Axicon mit ringförmigen Strukturen unterschiedlicher Radien erzeugt wird. Dazu wird das gefresnelte Axicon von einer Beleuchtungseinheit vollflächig beleuchtet. Die Auswertung des Spiegelbildes des räumlich verteilten Ringmusters erfolgt mittels einer telezentrischen, entfernungsunabhängigen Bil- derfassung.
Nachteilig an dieser Lösung ist die Verwendung von reflektierenden Flächen im Material, da sich hier Oberflächenfehler wesentlich stärker auf die Kollimation des einfallenden Lichtes auswirken als bei brechenden Flächen. Weiterhin ver- laufen die Strahlen zwischen Lichtquelle und der Kollimationsoptik divergent, so dass in diesem Bauraum geringere freie Durchmesser zur Verfügung stehen, als zwischen Kollimationsoptik und gefresneltem Axicon.
Weiterhin führt die Beleuchtung dazu, dass bei einer kurzen Brennweite große Einfallswinkel auftreten, die wiederum zu Reflexverlusten in den äußeren Zonen der Fresnelstruktur führen. Durch eine Verlängerung der Brennweite könnte die ses Problem zwar behoben werden, würde aber auch zu einer weiteren Verrin- gerung des freien Bauraumes führen. Das in der DE 10 2011 102 354 A1 beschriebene System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges basiert auf einer speziellen Placido- scheibe mit telezentrischer Bildauswertung. Die Placidoscheibe verfügt über halbierte, torusförmige Elemente mit halbkreisförmigem Querschnitt, die unter- schiedliche Radien aufweisen und deren vordere, sphärische oder asphärische Oberflächen zur Kornea des Auges gerichtet sind. Die Beleuchtung der Placido- scheibe erfolgt über LEDs, die jeweils im Fokus der halbierten, torusförmigen Elemente angeordnet sind, um die Projektion der Ringe der Placidoscheibe in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich zu realisieren. Zwar wurde hier das Problem geringerer freier Durchmesser gelöst, indem die LEDs direkt an der Placidoscheibe angeordnet wurden, jedoch erweist sich die Fertigung und Justierung extrem aufwendig und schwierig.
Nachteilig wirkt sich bei derartigen Lösungen weiterhin aus, dass sich die auf das Auge projizierten Ringe bei einer stark verformten Hornhaut berühren und dadurch nicht exakt detektiert werden können.
Nach dem bekannten Stand der Technik haben sich auch Topografen etabliert die ein Punktmuster mit bis zu 10.000 Messpunkten auf die zu vermessende Hornhaut abbilden. Dies hat den Vorteil, dass sich die Hornhaut hochgenau ver- messen lässt. Eine sehr hohe Anzahl an Messpunkten (z. B. > 1000) kann aber auch den Nachteil haben, dass mit steigender Dichte an Messpunkten die Kom- plexität und die Fehleranfälligkeit ihrer Zuordnung zum Referenzmuster steigt. Auch steigt die Gefahr, dass sich benachbarte Messpunkte berühren und in der weiteren Verarbeitung nicht trennen lassen (ähnlich sich berührender Ringe, siehe oben).
Hierzu beschreibt die noch nicht veröffentlichte DE 10 2016 216611.5 ein ent- fernungsunabhängiges Messsystem, welches ein Punktmuster auf die zu ver- messende Hornhaut abbildet. Das in der DE 10 2011 102 355 A1 beschriebene gefresnelte Axicon wurde dafür dahingehend verändert, dass die ringförmigen Strukturen über zusätzliche Facettenlinsen verfügen, wodurch vorteilhafte opti- sche Eigenschaften der Projektion erreicht werden. Als weiteren Vorteil weist die hier beschriebene Lösung eine geringe Einbautiefe auf. Zudem lässt sich das gefresnelte Axicon preisgünstig und einfach als Spritzgussteil fertigen.
Das resultierende Muster besteht aus mehreren, konzentrisch angeordneten Ringen aus beispielsweise äquidistant angeordneten Punkten, wobei auch hier für die Beobachtungsoptik ein zentraler, innerer Bereich frei bleibt. Diese spezi- elle Anordnung der Punkte spielt für die nachfolgend beschriebene Erfindung aber keine Rolle.
In einem ersten Bildverarbeitungsschritt werden zunächst die einzelnen tele- zentrisch erfassten Punkte des innersten Ringes im Bild detektiert und anhand von Polarwinkeln jeder Punkt einem Referenzpunkt zugeordnet. Die restlichen Punkte werden dann iterativ zugeordnet, und zwar durch lokale Zuordnung von Punkten in der Umgebung bereits zugeordneter Punkte.
Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren aus, dass es sehr sensibel gegen- über lokalen und globalen Störungen bzw. Deformationen des Punktmusters ist, wodurch sich ein lokaler Zuordnungsfehler über große Teile des Musters fort- pflanzen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Be- stimmung der Topographie der Kornea eines Auges zu entwickeln, die die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen behebt und eine schnelle, einfache und sichere Zuordnung der einzelnen Elemente des Musters zu den entsprechenden Elementen des Musters für eine entspre- chende Referenzfläche erlaubt, um die Zuverlässigkeit der rekonstruierten To- pographie der Hornhautoberfläche wesentlich zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges, bestehend aus einem in einem Beleuch- tungsstrahlengang angeordneten Element zur Erzeugung eines Musters und ei- ner Beleuchtungseinheit, einer in einem Detektionsstrahlengang angeordneten Bildaufnahmeeinheit und einer Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gelöst, dass das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet sind, die Kornea mit mindestens zwei Teilmustern nacheinander zu beleuchten, dass die aus einem Abbildungssystem und einem Bildsensor beste- hende Bildaufnahmeeinheit für eine telezentrische, entfernungsunabhängige Bilderfassung ausgebildet ist und dass die Steuer- und Auswerteeinheit ausge- bildet ist, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor entsprechend zu steuern und die Topografie der Kornea aus den Aufnahmen des Bildsensors zu rekon- struieren.
Der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung entsprechend ist das Element zur Erzeugung eines Musters ausgebildet ein Punktmuster zu erzeu- gen.
Dieses Punktmuster wird in Form von zwei oder mehr Teilmustern nacheinan- der, d. h. in möglichst kurzem Zeitabstand auf die Kornea abgebildet, wobei sich diese Teilmuster berühren oder auch überlappen können.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Obwohl die vorgeschlagene technische Lösung speziell für die Bestimmung der Oberflächenform, d. h. der Topografie, der Vorderfläche der Kornea eines Au- ges vorgesehen ist, kann sie prinzipiell auch für andere technische Gebiete ein- gesetzt werden, bei denen die Topografie einer spiegelnden, geometrischen Oberfläche bestimmt werden soll. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher be- schrieben. Dazu zeigen
Figur 1 : das Design einer zur Erzeugung des Punktmusters verwendeten
Facettenlinse,
Figur 2: das von der Facettenlinse nach Figur 1 erzeugte Punktmuster,
Figur 3: ein Gesamtbild des von der Kornea reflektierten und der Bildauf- nahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer vollflächi gen Beleuchtung,
Figur 4: eine zur Erzeugung zweier Teilmuster verwendete Facettenlinse mit Beleuchtungseinheit,
Figur 5: ein von der Facettenlinse nach Figur 4 erzeugtes Teilmuster und
Figur 6: ein Gesamtbild zusammengesetzt aus zwei Einzelbildern des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenom- menen Punktmusters bei einer halbseitigen Beleuchtung.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges besteht aus einem in einem Beleuchtungsstrahlengang angeord- neten Element zur Erzeugung eines Musters und einer Beleuchtungseinheit, ei- ner in einem Detektionsstrahlengang angeordneten Bildaufnahmeeinheit sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit.
Flierzu zeigt die Figur 1 das Design einer zur Erzeugung des Punktmusters ver- wendeten Facettenlinse. Die Facettenlinse 1 verfügt über ringförmige Struktu- ren 2, die mit Facettenlinsen 3 versehen sind. Das Zentrum der Facettenlinse 1 ist frei von ringförmigen Strukturen, da hier der Detektionsstrahlengang 4 ver- läuft. In der Figur 2 ist das von der Facettenlinse 1 erzeugte komplette Punktmuster, d. h. bei einer vollflächigen Beleuchtung, dargestellt.
Wie bereits beschrieben werden zunächst die einzelnen telezentrisch erfassten Punkte des innersten Ringes im Bild detektiert, einem Referenzpunkt zugeord- net und die restlichen Punkte iterativ zugeordnet. Da die iterative Zuordnung auf bereits in der Umgebung zugeordneten Punkten basiert, können sich lokale Zu- ordnungsfehler über kleine oder auch größere Teile des Musters fortpflanzen.
Hierzu zeigt die Figur 3 ein Gesamtbild des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer vollflächigen Beleuchtung. Hierbei sind inkorrekte Punktzuordnungen mit einem Kreuz mar- kiert.
Erfindungsgemäß sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Be- leuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea mit mindestens zwei Teilmustern nacheinander zu beleuchten. Die aus einem Abbildungssystem und einem Bildsensor bestehende Bildaufnahmeeinheit ist für eine telezentrische, entfer- nungsunabhängige Bilderfassung ausgebildet. Weiterhin ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor ent- sprechend zu steuern und die Topografie der Kornea aus den Aufnahmen des Bildsensors zu rekonstruieren.
Einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind das Element zur Er- zeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet ein Punktmus- ter zu erzeugen. Dieses Punktmuster wird in mindestens zwei Teilmuster aufge- teilt, nacheinander auf die Kornea abgebildet und jeweils als Bild erfasst.
Durch die Aufteilung des Punktmusters in mindestens zwei Teilmuster wird die Zuordnung der einzelnen Punkte des Musters zu den entsprechenden Punkten des Referenzmusters wesentlich vereinfacht, da je Einzelbild immer nur ein Teil der Punkte sichtbar ist und dadurch Zusatzinformation über die Lokalisierung der einzelnen Referenzunkte in den Einzelbildern bekannt ist.
Als Element zur Erzeugung eines Punktmusters wird beispielsweise ein gefres- neltes Axicon gemäß der DE 10 2011 102 355 A1 verwendet, dessen ringför- mige Strukturen über zusätzliche Facettenlinsen verfügen. Dabei besteht die Beleuchtungseinheit aus einem zweiteiligen Spiegel und zwei LED-Leuchten, die das gefresnelte Axicon mit Facettenlinsen (im Folgenden kurz: Facetten- linse) getrennt, jeweils zur Hälfte nacheinander beleuchten.
Hierzu zeigt die Figur 4 eine zur Erzeugung zweier Teilmuster verwendete Fa- cettenlinse mit Beleuchtungseinheit. Die Beleuchtungseinheit besteht aus ei- nem zweiteiligen Spiegel 5 und zwei LED-Leuchten 6 und 7. Zur Erzeugung zweier Teilmuster werden die LED-Leuchten 6 und 7 nacheinander betätigt und beleuchten so, über die Facettenlinse 1, das nicht dargestellte Auge nacheinan- der mit jeweils einem Teilmuster. Der zweiteilige Spiegel 5 verfügt in seinem Zentrum über eine Öffnung durch die der Detektionsstrahlengang 4 verläuft.
Die Figur 5 zeigt ein von der Facettenlinse nach Figur 3 erzeugtes Teilmuster. Wie der Figur 3 entnommen werden kann, ist es vorteilhaft die Teilmuster so auf das Auge zu projizieren, dass sich die Teilmuster nahezu waagerecht be- rühren bzw. überlappen. Dadurch hat der Berührungs- bzw. Überlappungsbe- reich die größtmögliche Anzahl an projizierten Punkten, da es zu keiner oder nur einer geringen Abdeckung durch Wimpern oder Lider kommt.
Bereits bei dieser Ausgestaltungsvariante mit nur zwei Teilmustern kann die Bi- närinformation, welche Referenzpunkte in welchem Bild zu erwarten sind, dazu verwendet werden, um bei der lokalen Zuordnung falsche Zuordnungen zu eli minieren. Hierbei wird eine Zuordnung zu Referenzpunkten ausgeschlossen, die im jeweiligen Kamerabild nicht projiziert wurden. Hierzu zeigt die Figur 6 ein Gesamtbild des von der Kornea reflektierten und der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Punktmusters bei einer halbseitigen Beleuchtung. Hierbei sind inkorrekte Punktzuordnungen ebenfalls mit einem Kreuz markiert.
Im Vergleich zu Figur 3 ist in Figur 6 deutlich zu erkennen, dass sich lokale Zu- ordnungsfehler lediglich bis zur Grenze zwischen beiden Teilmustern ausbrei- ten, wo die Zuordnung der Punkte im Widerspruch zu eben jener Binärinforma- tion steht. Damit werden insgesamt weniger Punkte falsch zugeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung hiervon wird die iterative Zuordnung von Punkten zu Referenzpunkten beginnend an der Grenze zwischen den Teilmus- tern erneut vorgenommen, wenn die Verwendung der Binärinformation zu einer anderen Zuordnung führt als es ohne sie der Fall wäre. Anschaulich würden die Zuordnungsfehler (Kreuze) in Figur 6 beginnend an der Grenze zwischen den Teilmustern„rückwärts iterierend“ erneut zugeordnet. Die Fehlerfortpflanzung kann dadurch noch deutlich weiter reduziert werden.
Einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea mit drei oder mehr Teilmustern nacheinander zu beleuchten, wobei die Teilmus- ter auf die Kornea überlappend oder nebeneinander abgebildet werden.
Besteht das Punktmuster beispielsweise aus den drei Teilmustern A, B und C, so ist es für eine einfache Zuordnung ausreichend, die Kornea nacheinander wie folgt zu beleuchten:
- Im ersten Schritt werden die Teilmuster A und B und
- im zweiten Schritt die Teilmuster B und C auf die Kornea abgebildet.
Für die Zuordnung ist zu berücksichtigen, dass alle Punkte die nur in der Auf- nahme des ersten Beleuchtungsschrittes auftauchen in den Bereich A, alle die nur in der Aufnahme des zweiten Beleuchtungsschrittes auftauchen in den Be- reich C und alle die in beiden Bildern auftauchen in den Bereich B gehören.
Erfindungsgemäß sind das Element zur Erzeugung eines Musters und die Be- leuchtungseinheit ausgebildet, die Kornea in möglichst kurzem Zeitabstand mit Teilmustern zu beleuchten. Dadurch wird vermieden, dass die Ergebnisse durch eine Augenbewegung zwischen den Aufnahmen verfälscht werden. Erfin- dungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit gemäß einer dritten vorteilhaf- ten Ausgestaltung ausgebildet, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor synchron zu steuern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen betreffen die erzeugten Teilmuster.
So ist es beispielsweise möglich, die Beleuchtungseinheit so auszubilden, dass die Teilmuster mit unterschiedlicher Lichtintensität oder unterschiedlicher Farbe auf die Kornea abgebildet werden. Dadurch wird die Zuordnung der einzelnen Punkte zu einem Referenzpunkt wesentlich vereinfacht.
Auch kann die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet sein, die Kornea mit sich überlappenden Teilmustern zu beleuchten, wobei die Teilmuster aus ein- zelnen Punkten zusammengefasst sind, die nicht unmittelbar nebeneinanderlie- gen.
Erfindungsgemäß kann jedes einzelne Teilmuster mehrfach auf die Kornea ab- gebildet werden, wobei das abgebildete Punktmuster des jeweils abgebildeten Teilmusters variiert wird. Aus dem abzubildenden Teilmuster wird jeweils eine Anzahl von variierenden Punkten ausgewählt und abgebildet. Besonders vor- teilhaft ist es, die einzelnen Punkte des Teilmusters über eine Ein-Ausschalt- Folge zu kodieren, wobei die Kodierung eng beieinanderliegender Punkte vor- zugsweise unterschiedlich ist. Dies ermöglicht eine nahezu fehlerfreie Zuord- nung der einzelnen Punkte zu einem Referenzpunkt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges zur Verfügung gestellt, die auf der Aus- wertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Musters, insbesondere ei- nes Ring- oder Punktmusters basiert.
Mit der vorgeschlagenen Lösung werden die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen behoben und eine schnelle, einfache und sichere Zuordnung der einzelnen Elemente des Musters zu den entsprechenden Ele- menten des Musters für eine entsprechende Referenzfläche ermöglicht, wo durch die Zuverlässigkeit der rekonstruierten Topographie der Hornhautoberflä- che wesentlich erhöht wird.
Obwohl die vorgeschlagene technische Lösung speziell für die Bestimmung der Oberflächenform, d. h. der Topografie, der Vorderfläche der Kornea eines Au- ges vorgesehen ist, kann sie prinzipiell auch für andere technische Gebiete ein- gesetzt werden, bei denen die Topografie einer spiegelnden, geometrischen Oberfläche bestimmt werden soll. Dabei sind neben den in der Ophthalmologie bevorzugten Ring- oder Punktmustern auch andere Muster verwendbar.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges, be- stehend aus einem in einem Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Ele- ment zur Erzeugung eines Musters und einer Beleuchtungseinheit, einer in einem Detektionsstrahlengang angeordneten Bildaufnahmeeinheit und ei- ner Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Ele- ment zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebil- det sind, die Kornea mit mindestens zwei Teilmustern nacheinander zu be- leuchten, dass die aus einem Abbildungssystem und einem Bildsensor be- stehende Bildaufnahmeeinheit für eine telezentrische, entfernungsunabhän- gige Bilderfassung ausgebildet ist und dass die Steuer- und Auswerteein- heit ausgebildet ist, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor entspre- chend zu steuern und die Topografie der Kornea aus den Aufnahmen des Bildsensors zu rekonstruieren.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Erzeugung eines Musters ausgebildet ist ein Punktmuster zu erzeugen.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet sind, die Kornea mit zwei oder mehr Teilmustern nacheinander zu beleuchten.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet sind, die Teilmuster überlappend oder nebeneinander auf die Kornea abzubilden.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Erzeugung eines Musters und die Beleuchtungseinheit ausgebildet sind, die Kornea in möglichst kurzem Zeitabstand mit Teilmustern zu beleuchten.
6. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor der Bildaufnahmeeinheit eine möglichst hohe Bildrate aufweist.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit ausgebildet ist, die Teilmuster mit unterschiedlicher Lichtintensität oder Farbe auf die Kornea abzubilden.
8. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Beleuchtungseinheit und den Bildsensor synchron zu steuern.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Kornea mit sich über- lappenden Teilmustern zu beleuchten, wobei die Teilmuster aus einzelnen Punkten zusammengefasst sind, die nicht unmittelbar nebeneinanderliegen.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne Teilmuster mehrfach auf die Kornea abgebildet wird, wobei das abgebildete Punktmuster des jeweils abgebildeten Teilmusters variiert.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Punkte des Teilmusters über eine Ein-Ausschalt-Folge kodiert sind.
12. Anordnung nach den Ansprüchen 9 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung eng beieinanderliegender Punkte unterschiedlich ist.
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