DE4037798A1 - Verfahren zur analyse von oberflaechenformen, insbesondere von nicht-starren oberflaechen, wie der hornhaut des menschlichen auges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Oberflächenformen, insbesondere von nicht-starren Ober­ flächen, wie der Hornhaut des menschlichen Auges.

Aus der DE 31 34 574 C2 ist eine Anordnung zur Registrie­ rung und Messung des zeitlichen Verlaufes der Dilatation des Auges bekannt, wobei unter Dilatation eine Abstands­ änderung zwischen Hornhautvorderfläche und Augenhinter­ grund verstanden wird. Die Anordnung besteht aus einer Laserlichtquelle zur Beleuchtung des Auges über einen Um­ lenkspiegel, einer Spaltblende, die in einer Ebene ange­ ordnet ist, in welcher das von der Hornhaut und das vom Hintergrund des Auges reflektierte Laserlicht ein Inter­ ferogramm erzeugen, und einer Einrichtung zur ortsabhän­ gigen Darstellung von zeitlichen Veränderungen des von der Spaltblende erfaßten Querschnitts aus dem Interfero­ gramm, bestehend aus einem Aufzeichnungsmedium und einer Optik zur Abbildung der Spaltblende auf dieses Medium. Mit einer derartigen Anordnung ist zwar eine genaue Mes­ sung der Dilatation des Auges möglich, es ist jedoch nur eine punktuelle Erfassung dieser Abstandsänderungen mög­ lich. Zwar könnte theoretisch mittels Durchführung mehre­ rer aufeinanderfolgender Messungen auch eine Analyse der Dilatation in Form eines Rasters entlang einer Meßlinie oder sogar auf einer Meßfläche erreicht werden; in der Praxis ist dies jedoch äußerst aufwendig, wobei die zu­ sätzlich gewonnene Information kaum den zusätzlichen Auf­ wand rechtfertigt. Außerdem liefert diese Anordnung keine Informationen über die äußere Oberflächenform des Auges sowie deren zeitliche Formveränderungen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zu schaf­ fen, mit welchem eine Analyse von Oberflächenformen, ins­ besondere von nicht-starren Oberflächen, wie der Horn­ haut des menschlichen Auges, ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemaß dem Patentanspruch 1.

Das Verfahren gemäß Erfindung erlaubt bei einer einzel­ nen Messung schon eine Aussage über die Form der Ober­ fläche nicht nur an einem Punkt oder entlang einer Linie sondern auf einer Fläche, deren Größe nur durch den Durchmesser des auf die Oberfläche fallenden Licht­ strahles bestimmt wird. Hierdurch können umfangreiche In­ formationen gewonnen werden, z. B. über Art und Lage von Formabweichungen im Vergleich zu der vorgegebenen Refe­ renzfläche. Für die Auswertung des erfaßten Interferenz­ musters können an sich bekannte mathematische Auswerte­ verfahren verwendet werden.

Um feststellen zu können, wie sich die zu analysierende Oberfläche bei sich zeitlich verändernden Einflüssen verhält, ist weiter vorgesehen, daß wenigstens zwei In­ terferenzmuster zeitlich nacheinander erfaßt werden und daß deren zeitabhängige Veränderung ausgewertet wird.

Wenn absolute Aussagen über Form und Abmessungen der zu analysierenden Oberfläche benötigt werden, ist das Ver­ fahren zu erweitern, wobei hier zwei bevorzugte Verfah­ rensausgestaltungen zu nennen sind: Die erste Variante sieht vor, daß parallel zur Erfassung des Interferenz­ musters der Abstand zwischen der Fokussiereinrichtung und der zu analysierenden Oberfläche gemessen und erfaßt wird. Alternativ hierzu sieht die Erfindung vor, daß nacheinander Interferenzmuster mit wenigstens zwei unter­ schiedlichen Abständen zwischen der zu analysierenden Oberfläche und der Fokussiereinrichtung erfaßt und ausge­ wertet werden und daß parallel zur Erfassung der Interfe­ renzmuster dieser Abstandsunterschied gemessen und er­ faßt wird. Beide Verfahrensausgestaltungen erfassen als zusätzliche Meßgröße die Länge einer Strecke, womit er­ reicht wird, daß durch entsprechende mathematische Aus­ wertung der Interferenzmuster auch exakte absolute Aus­ sagen über die Dimensionen der auf der untersuchten Ober­ fläche beobachteten Formen und Strukturen sowie deren Veränderungen gemacht werden können.

Um auch eine nachträgliche Auswertung, z. B. mittels digi­ taler Analyseprogrammeß, zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß das Interferenzmuster mittels opto-elektronischer Wandlung in elektrische Signale umgesetzt und als Signal­ folge wieder abrufbar gespeichert wird.

Um bei nicht-starren, sich zeitlich verändernden Ober­ flächen nicht nur unterschiedliche Zustände vergleichen, sondern detaillierte Aussagen über die Art und den Ver­ lauf solcher Veränderungen machen zu können, ist vorge­ sehen, daß das Interferenzmuster, gegebenenfalls mit seinen zeitabhängigen Veränderungen, über einen vorgeb­ baren Beobachtungszeitraum stetig erfaßt und aufgezeich­ net wird. Für die weitere Analyse ist dann bevorzugt vor­ gesehen, daß aus der stetigen Interferenzmuster-Aufzeich­ nung einzelne Interferenzmuster nach vorgebbaren Auswahl­ kriterien ausgewählt und für die weitere Auswertung ver­ wendet werden. Hierdurch können z. B. Fehler eliminiert werden, die durch Störungen oder Verfälschungen ent­ stehen, welche z. B. bei der Analyse der Hornhautober­ fläche durch unwillkürliche, ruckartige Augenbewegungen des Patienten verursacht werden.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah­ rens gemäß Erfindung sind in den Unteransprüchen 8 bis 17 angegeben.

Ein Anwendungsgebiet, auf dem sich das neue Verfahren sinnvoll einsetzen läßt, ist die Augenmedizin. Das Ver­ fahren ermöglicht hier z. B. eine exakte Darstellung der Oberflächen-Topographie der Hornhaut, eine exakte Dar­ stellung des Hornhaut-Astigmatismus, eine Messung der Veränderung der Oberfläche der Hornhaut bei verschiede­ nen Prozessen, wie z. B. Augenbewegungen oder Akkommoda­ tion, eine Bestimmung der Augenbewegungen, eine Bestim­ mung der Bewegung der Hornhaut während des Herzschlages, eine Bestimmung der Veränderungen der Hornhaut nach horn­ hautchirurgischen Eingriffen oder eine Messung des intra­ okularen Augendruckes.

Im folgenden wird ein Ablaufbeispiel des Verfahrens an­ hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens in einer schematischen Darstellung und

Fig. 2 ein Beispiel für ein mit dem Verfahren aufge­ nommenes, aufbereitetes Interferenzmuster.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnung ersichtlich ist, wird in einem Laser 11 ein Laserstrahl 10′ erzeugt, der aus dem Laser 11 in der Zeichnung nach rechts hin austritt. Nach Austritt aus dem Laser 11 durchläuft der Laserstrahl 10′ zunächst eine Verschlußblende 12, die zwischen einer Öff­ nungsstellung und einer Schließstellung umstellbar ist, um wahlweise den Laserstrahl 10′ durchgehen zu lassen oder zu unterbrechen. Im weiteren Verlauf des Laser­ strahls 10′ ist als nächstes ein Zerhacker oder Chopper 13 angeordnet, mittels welchem der Laserstrahl 10′ zer­ hackt wird, wodurch eine stroboskopische Beleuchtung er­ zeugt und damit die Möglichkeit geschaffen wird, ein mit dem Verfahren erfaßtes Interferenzmuster "einzufrie­ ren". Außerdem wird durch den Zerhacker 13 eine vermin­ derte mittlere Leistung bei hoher Kurzzeit- bzw. Impuls­ leistung ermöglicht. Mittels eines im Laserstrahl 10′ weiterhin angeordneten Graufilters 14 kann die Intensi­ tät des Laserstrahls 10′ in gewünschter Weise abge­ schwächt werden, um Schäden an der zu untersuchenden Oberfläche zu vermeiden bzw. gesetzliche Sicherheitsvor­ schriften einzuhalten. In einem Raumfilter bzw. Diver­ genzfilter 15 wird der bis dahin gebündelte Laserstrahl 10′ zu einem divergierendem Lichtstrahl mit sphärischen Wellenfronten aufgeweitet. Mittels einer daran anschließend angeordneten Kollimatorlinse 16 wird der Laser­ strahl 10′ zu einem als Eingangslichtstrahl 10 dienenden Parallellichtstrahl mit ebenen Wellenfronten umgeformt.

Dieser Eingangslichtstrahl 10 fällt anschließend auf einen Strahlteiler 21, mittels welchem der Eingangslicht­ strahl 10 aufgeteilt wird in einen unter 90° zum Ein­ gangslichtstrahl 10 verlaufenden Meßlichtstrahl 20 und einen in der gleichen Richtung wie der Eingangslicht­ strahl 10 verlaufenden Referenzlichtstrahl 30.

Der Meßlichtstrahl 20 läuft durch eine Fokussiereinrich­ tung 22, hier eine Sammellinse, und gelangt schließlich auf die zu untersuchende Oberfläche, hier die Hornhaut­ oberfläche 23 eines menschlichen Auges 2. Außer einer einfachen Sammellinse können für die Fokussiereinrich­ tung 22 auch Optiken mit mehreren Linsen oder auch holo­ graphische Linsen verwendet werden, wobei letztere spezi­ ell für Untersuchungen von Oberflächen mit extremen Ab­ weichungen von einer sphärischen Form geeignet sind. Die Brennweite der Fokussiereinrichtung 22 ist dabei so ge­ wählt, daß der einfallende Meßlichtstrahl 20 von der Hornhautoberfläche 23 annähernd und im wesentlichen in sich selbst reflektiert wird. Der reflektierte Meßlicht­ strahl 20′ durchläuft die Fokussiereinrichtung 22 in um­ gekehrter Richtung und gelangt wieder zum Strahlteiler 21 und durchläuft diesen. Da die zu analysierende Ober­ fläche, hier die Hornhautoberfläche 23, im allgemeinen keine ideale Fläche ist, besitzt der reflektierte Meß­ lichtstrahl 20′ nach dem umgekehrten Durchlaufen der Fokussiereinrichtung 22 keine ebenen Wellenfronten mehr, sondern Wellenfronten, die mehr oder weniger stark, ent­ sprechend der Oberflächenform der Hornhautoberfläche 23, von einem ebenen Verlauf abweichen. Durch Verschiebung der Fokussiereinrichtung 22 ist die Dichte der Interfe­ renzlinien des erfaßten Interferenzmusters insbesondere zur Analyse pathologischer Oberflächenformen gezielt ver­ änderbar, wobei dieses Analyseverfahren mit dem Begriff "Fringe Control" bezeichnet wird.

Der einfallende Referenzlichtstrahl 30 wird an einer Re­ ferenzfläche 31, hier ein Planspiegel, reflektiert und gelangt ebenfalls zurück zum Strahlteiler 21, um von diesem reflektiert und dadurch mit dem ausfallenden Meß­ lichtstrahl 20′ zu einem Überlagerungslichtstrahl 40 überlagert zu werden. Da der reflektierte Referenzlicht­ strahl 30′ weiterhin ebene Wellenfronten aufweist, kommt es im Überlagerungslichtstrahl 40 infolge der Überlage­ rung mit den nicht mehr ebenen Wellenfronten des reflek­ tierten Meßlichtstrahls 20′ zu Interferenzerscheinungen, die eine Aussage über die Form der den Meßlichtstrahl 20 reflektierenden Oberfläche 23 der Hornhaut des Auges 2 erlauben. Die entstehenden Interferenzmuster werden hier mittels einer Videokamera 42 aufgenommen, innerhalb derer beispielsweise ein mit einer Vielzahl von lichtem­ pfindlichen Punkten ausgestatteter sogenannter CCD-Chip angeordnet ist. Zur Anpassung des Durchmessers bzw. der Fläche des Überlagerungslichtstrahls 40 an die Fläche des lichtempfindlichen Elementes in der Videokamera 42 ist dieser eine Anpassungslinse 41 vorgeschaltet, die hier eine langbrennweitige Sammellinse ist, welche den Überlagerungslichtstrahl 40 von einem relativ großen Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser verengt.

Die von der Videokamera 42 aufgenommenen Interferenz­ muster können auf einem nachgeschalteten Monitor 43 mit einem Bildschirm 43′ sichtbar gemacht werden. Ein dem Monitor nachgeschalteter Videorecorder 44 erlaubt eine stetige Aufzeichnung und spätere Wiedergabe der erfaßten Interferenzmuster. Weiterhin kann die Einrichtung gemäß der Zeichnung noch mit einer Datenverarbeitungseinrich­ tung koppelbar sein, um mit dieser eine automatisierte Auswertung der erfaßten Interferenzmuster durchzuführen, was hier aber nicht besonders dargestellt ist.

Um möglichst störungs- und fehlerfreie Analysen und Un­ tersuchungen der Oberfläche 23 vornehmen zu können, ist es wichtig, daß der Patient eine möglichst konstante Blickrichtung seines zu untersuchenden Auges 2 beibe­ hält. Um dies zu erleichtern, ist vorgesehen, daß der Bildschirm 43′ des Monitors 43 in einer solchen Blick­ richtung zum zweiten, nicht zu untersuchenden Auge 2′ des Patienten liegt, daß bei Betrachtung des Interferenz­ musters auf dem Bildschirm 43′ der Patient die gewünsch­ te Blickrichtung der Augen 2, 2′ und damit auch des zu untersuchenden Auges 2 einstellt.

Für bestimmte Anwendungen des Verfahrens ist die Erfas­ sung entweder des Abstandes zwischen der Fokussierein­ richtung 22 und der Hornhautoberfläche 23 oder der Ver­ änderung der Stellung der Fokussiereinrichtung in Längs­ richtung des Meßlichtstrahls 20 bzw. 20′ erforderlich. Hierzu kann die Anordnung mit geeigneten Längen- bzw. Entfernungs-Meßeinrichtungen zusätzlich ausgestattet sein, die aus anderen technischen Bereichen bekannt sind und hier verwendet werden können.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein Beispiel für ein mit dem Verfahren aufgezeichnetes Interferenzmuster nach einer Aufbereitung, hier einer Kontrastverstärkung. Es wird deutlich sichtbar, daß sich das Interferenzmuster aus Interferenzringen zusammensetzt, die im wesentlichen kon­ zentrisch zueinander mit nach außen hin abnehmendem Ab­ stand verlaufen. Durch Ermittlung, Auswertung und Inter­ pretation von Anzahl, Größe, Abstand, Form und Kontur der Interferenzringe sowie deren Veränderungen, z. B. in Abhängigkeit von der Zeit und/oder vom Meßabstand, kön­ nen die gewünschten, im vorangehenden genannten Informa­ tionen über die zu untersuchende Oberfläche gewonnen wer­ den. Die einzelnen Auswerteverfahren sollen hier nicht näher erläutert werden, da sie nicht Gegenstand dieser Anmeldung sind.

Claims (17)

1. Verfahren zur Analyse von Oberflächenformen, insbe­ sondere von nicht-starren Oberflächen, wie der Horn­ haut des menschlichen Auges, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein als Eingangslichtstrahl dienender monochro­ matischer kohärenter Lichtstrahl erzeugt und auf einen Parallellichtstrahl gewünschten Durchmessers mit ebenen Wellenfronten aufgeweitet wird,
• - daß der Eingangslichtstrahl mittels Strahlteilung in einen Meßlichtstrahl und einen Referenzlicht­ strahl mit jeweils ebenen Wellenfronten geteilt wird,
• - daß der Meßlichtstrahl durch eine Fokussiereinrich­ tung geführt und flächig auf die zu analysierende Oberfläche geleitet wird, wobei die Oberfläche ei­ nen Abstand von der Fokussiereinrichtung aufweist, der kleiner als die Brennweite dieser Fokussierein­ richtung ist,
• - daß der Referenzlichtstrahl zu einer Referenz­ fläche geführt und an dieser reflektiert wird,
• - daß der von der zu analysierenden Oberfläche re­ flektierte Meßlichtstrahl in umgekehrter Richtung durch die Fokussiereinrichtung geführt und mit dem reflektierten Referenzlichtstrahl überlagert wird und
• - daß ein hierbei entstehendes flächiges Interferenz­ muster erfaßt und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Interferenzmuster zeitlich nach­ einander erfaßt werden und daß deren zeitabhängige Veränderung ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zur Erfassung des Interferenz­ musters der Abstand zwischen der Fokussiereinrich­ tung und der zu analysierenden Oberfläche gemessen und erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nacheinander Interferenzmuster mit we­ nigstens zwei unterschiedlichen Abständen zwischen der zu analysierenden Oberfläche und der Fokussier­ einrichtung erfaßt und ausgewertet werden und daß parallel zur Erfassung der Interferenzmuster dieser Abstandsunterschied gemessen und erfaßt wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzmuster mittels opto-elektronischer Wandlung in elektrische Signale umgesetzt und als Signalfolge wieder abruf­ bar gespeichert wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenz­ muster, gegebenenfalls mit seinen zeitabhängigen Veränderungen, über einen vorgebbaren Beobachtungs­ zeitraum stetig erfaßt und aufgezeichnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus der stetigen Interferenzmuster-Aufzeichnung einzelne Interferenzmuster nach vorgebbaren Auswahl­ kriterien ausgewählt und für die weitere Auswertung verwendet werden.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangslicht­ strahl ein Laserstrahl verwendet wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangslicht­ strahl zerhackt wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangslicht­ strahl mittels Graufilterung geschwächt wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangslicht­ strahl durch Raumfilterung zu einem divergierenden Lichtstrahl mit sphärischen Wellenfronten aufgewei­ tet und mittels Durchleitens durch wenigstens eine Kollimatorlinse in den Parallellichtstrahl überführt wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Fokussiereinrich­ tung wenigstens eine Sammellinse verwendet wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der Fokussiereinrichtung in Abhängigkeit vom Krümmungs­ radius der zu analysierenden Oberfläche so gewählt wird, daß im Mittel über die Oberfläche der Meßlicht­ strahl im wesentlichen in sich selbst reflektiert wird.

14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als den Referenz­ lichtstrahl reflektierende Referenzfläche ein Plan­ spiegel verwendet wird.

15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erfassung, Darstellung und Aufzeichnung der Interferenzmuster eine Videokamera mit zugeordnetem Monitor und Video­ recorder verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera ohne Objektiv betrieben wird und daß der zur Kamera geführte Lichtstrahl zur Anpas­ sung der Lichtstrahlfläche an die Videokamera-Auf­ nahmefläche durch wenigstens eine vorgeschaltete, in Lichtstrahllängsrichtung verschiebbare Linse gelei­ tet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei dieses auf das menschliche Auge angewendet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Monitorbild des gerade er­ faßten Interferenzmusters dem zu dem untersuchten Auge gehörenden zweiten Auge des Augenpaares in ei­ ner zu dem Meßlichtstrahl im wesentlichen parallelen Blickrichtung zugeführt bzw. dargeboten wird.