DE10128219A1 - Anordnungen für Kohärenz-topographisches Ray Tracing am Auge - Google Patents
Anordnungen für Kohärenz-topographisches Ray Tracing am AugeInfo
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Abstract
Diese Erfindung betrifft die topographische Messung der Augenstrukturen auf der Basis der Kurzkohärenz-Interferometrie. Hier tritt das Problem auf, daß longitudinale und transversale Augenbewegungen während der Signalregistrierung zu Fehlern in der gemessenen Struktur führen. Die Einflüsse longitudinaler Augenbewegungen werden dadurch kompensiert, daß der Referenzstrahl unabhängig vom Meßstrahl auf den Hornhautscheitel gerichtet und dort reflektiert wird. Die Einflüsse longitudinaler Augenbewegungen werden dadurch minimiert, daß die transversale Position des Auges mittels einer richtungsabhängigen Registrierung des am Hornhautscheitel reflektierten Lichts mit Hilfe eines Diodenarrays oder einer Vierquadrantendiode kontrolliert und transversale Dejustierung erkannt und kompensiert werden.
Description
Diese Erfindung betrifft die topographische Messung der Augenstrukturen wie Cornea und
Augenlinse in der Ophthalmologie.
Stand der Technik:
Bedingt durch neue Entwicklungen in der Ophthalmologie, gekennzeichnet durch vielfältig geartete operative Eingriffe an der Augenlinse (z. B. Kataraktchirurgie) und an der Hornhaut (refraktive Corneachirurgie), besteht ein erheblicher Bedarf an einem Meßverfahren, welches die gesamte Struktur des Auges quantitativ topographisch darstellt. Unter dem Begriff Ray-Tracing [beispielsweise in der Literaturstelle R. Navarro, E. Moreno, and C. Dorronsoro, J. Opt. Soc. Am., Vol. 15 (1998) pp. 2521-2529] sind zwar einige Verfahren bekannt geworden, die die Modulations- Übertragungsfunktion und damit auch die Punktbildfunktion des Auges bestimmen können; diese Verfahren messen jedoch nur die Gesamtwirkung aller optischen Komponenten des Auges und geben keine Auskunft über die Einflüsse der einzelnen Komponenten des Auges und insbesondere auch keine Auskunft über die genaue Geometrie dieser Komponenten. Will man jedoch analysieren, welcher ophthalmologische Eingriff am Auge welche Auswirkungen hat, oder umgekehrt, von welcher optischen Komponente des Auges welcher Einfluß ausgeht, muß man die genaue Geometrie aller optisch wirksamen Komponenten kennen. Hierzu muß die Topographie der intraokularen Grenzflächen gemessen werden.
Bedingt durch neue Entwicklungen in der Ophthalmologie, gekennzeichnet durch vielfältig geartete operative Eingriffe an der Augenlinse (z. B. Kataraktchirurgie) und an der Hornhaut (refraktive Corneachirurgie), besteht ein erheblicher Bedarf an einem Meßverfahren, welches die gesamte Struktur des Auges quantitativ topographisch darstellt. Unter dem Begriff Ray-Tracing [beispielsweise in der Literaturstelle R. Navarro, E. Moreno, and C. Dorronsoro, J. Opt. Soc. Am., Vol. 15 (1998) pp. 2521-2529] sind zwar einige Verfahren bekannt geworden, die die Modulations- Übertragungsfunktion und damit auch die Punktbildfunktion des Auges bestimmen können; diese Verfahren messen jedoch nur die Gesamtwirkung aller optischen Komponenten des Auges und geben keine Auskunft über die Einflüsse der einzelnen Komponenten des Auges und insbesondere auch keine Auskunft über die genaue Geometrie dieser Komponenten. Will man jedoch analysieren, welcher ophthalmologische Eingriff am Auge welche Auswirkungen hat, oder umgekehrt, von welcher optischen Komponente des Auges welcher Einfluß ausgeht, muß man die genaue Geometrie aller optisch wirksamen Komponenten kennen. Hierzu muß die Topographie der intraokularen Grenzflächen gemessen werden.
Ein hierzu geeignetes optisches Verfahren sind Kohärenz-Topogramme, wie in der
Literaturstelle A. F. Fercher, and C. K. Hitzenberger, in: Springer Series in Optical
Sciences (ed.: T. Asakura), Vol. 4, Springer Verlag, Berlin 1999, beschrieben. Optische
Kohärenz-Topogramme werden aus einer Reihe von kurzkohärent-interferometrisch in
longitudinaler Richtung gemessenen z-Signalen aus in transversaler x-Richtung
benachbarten Objektbereichen durch Scannen der optischen Länge des Referenzarms
eines Zweistrahl-Interferometers gewonnen. Bei dem in der zitierten Literaturstelle
beschriebenen Verfahren verlaufen Meßstrahl und Referenzstrahl immer koaxial und
zentral durch die Pupille des Auges. Es kann für eine Teilstrecken-Topographie des
gesamten Auges daher nicht angewandt werden, sondern nur zur Erfassung der
Fundusgeometrie. Ferner verursachen transversale Dejustierungen quer zur Augenachse
während der Signalregistrierung Meßfehler.
Ein weiteres hierzu geeignetes optisches Verfahren ist in der Literaturstelle J. A. Izatt, M. R. Hee,
D. Huang, J. G. Fujimoto, E. A. Swanson, C. P. Iin, J. S. Schuman, C. A. Puliafito,
SPIE Proc., 1877, 136-144 (1993) beschrieben. Es handelt sich hierbei um das
Verfahren der Optischen Kohärenz-Tomographie. (Optical Coherence Tomography, OCT).
Dieses Verfahren leidet jedoch grundsätzlich an dem Problem, daß Augenbewegungen
während der Signalregistrierung zu Fehlern in der gemessenen Struktur führen. Dabei
verursachen insbesondere longitudinale Bewegungen in Richtung der Augenachse eine
Verfälschung der Tiefen- oder z-Positionen der gemessenen Strukturen.
Es ist daher die technische Aufgabe der Erfindung, Anordnungen für die Kohärenz-
Topographie des Auges mittels einer Reihe von kurzkohärent-interferometrisch
gemessenen Tiefen-Signalen in verschiedenen Pupillenpunkte durch Scannen der
optischen Länge des Referenzarms eines Zweistrahl-Interferometers anzugeben, bei
welchen longitudinale Bewegungen in Richtung der Augenachse und transversale
Bewegungen quer zur Augenachse keine Verfälschung der Positionen der gemessenen
Strukturen bewirken und longitudinale Tiefen- oder z-Signale in beliebigen Punkten der
Augenpupille, auch außerhalb der Sehachse, gewonnen werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Meßstrahl eines Kurzkohärenz-
Interferometers in einer Reihe Meßpositionen in die Augenpupille gestrahlt wird und der
Referenzstrahl hierbei unabhängig vom Meßstrahl fix auf den Hornhautscheitel gerichtet
und dort reflektiert wird. Jede longitudinale Bewegung des Auges führt dann im
Referenzstrahl zu derselben Phasenverschiebung wie im Meßstrahl und bleibt für die
Kurzkohärenz-Interferometrie wirkungslos. Ferner wird die transversale Position des
Auges mittels einer richtungsabhängigen Registrierung des am Hornhautscheitel
reflektierten Lichts mit Hilfe eines Diodenarrays oder einer Vierquadrantendiode
kontrolliert und ein Kriterium für die transversale Justierung des Auges bezüglich der
Strahlachse gewonnen. Hierdurch können transversale Dejustierungen erkannt und
kompensiert werden. Schließlich wird ein mit seinen Drehachsen normal zueinander
orientiertes Umlenkspiegelpaar benutzt, um den Meßstrahl in beliebige Pupillenpunkte zu
steuern.
Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der Fig. 1 und 2 erklärt.
Fig. 1 beschreibt das grundsätzliche erfindungsgemäße Verfahren.
Fig. 2 zeigt eine äquidistante Anordnung von Meßpunkten am Auge.
Fig. 3 beschreibt wie der Meßstrahl in verschiedene Punkte der Augenpupille
gesteuert werden kann.
Fig. 4 beschreibt eine Alternative, bei welcher das Scannen der optischen Länge des
Referenzstrahls durch das Scannen der optischen Länge des Objektstrahls
ersetzt wird.
Fig. 1 stellt den Strahlengang des topographischen Kurzkohärenz-Interferometers dar.
Der Lichtstrahl 1 einer zeitlich teilkohärenten Lichtquelle 2, beispielsweise einer
Superlumineszenzdiode, beleuchtet das Interferometer. Am Strahlteiler 3 wird dieser
Lichtstrahl in Meßstrahl 4 und Referenzstrahl 5 geteilt. Der Meßstrahl 4 wird von dem
rotierenden oder schwingenden (Doppelpfeil 30) Umlenkspiegel 6 zur teilverspiegelten
Platte 7 und von dieser über das Objekt 8 auf das Auge 9 gelenkt. Der Umlenkspiegel 6
befindet sich in der Brennebene der Optik 8. Im Auge wird dieser Lichtstrahl durch die
verschiedenen Gewebe, wie Hornhaut 10 und Augenlinse 11 durch das Kammerwasser
12 und den Glaskörper 13 auf den Augenfundus 14 gelenkt. Licht, welches von diesen
Gewebe und deren Grenzflächen sowie dem Augenfundus in Richtung des einfallenden
Meßstrahls 4 zurückgestreut wird, nimmt als Lichtstrahl 15 bis zum Strahlteiler 3
denselben Weg wie der Meßstrahl 4, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Der
zurücklaufende Lichtstrahl 15 durchsetzt den Strahlteiler 3 und trifft auf den Photodetektor
16, aus dessen photoelektrischem Signal U mit bekannten Methoden der Kurzkohärenz-
Interferometrie die longitudinalen Tiefenpositionen der lichtremittierenden Stellen
bestimmt werden.
Wird im Zweistrahl-Interferometer anstelle der oben beschriebenen herkömmlichen
Superlumineszenzdiode eine kurzkohärente Lichtquelle verwendet, welche kurzwelliges
Licht aussendet (z. B. blau strahlende Laserdiode), sind die von den intraokulären
Geweben Hornhaut 10, Augenlinse 11, Glaskörper 13 und Augenfundus 14 remittierten
Lichtanteile (also der Lichtstrahl 15) deutlich stärker ausgeprägt. Da die am Photodetektor
16 gewonnen Signale dann eine größere Amplitude aufweisen; ist die interferometrische
Tiefenbestimmung der lichtremittierenden Schichten präziser möglich.
Der Referenzstrahl 5 durchläuft den Strahlteiler 20, wird von dem Referenzspiegel 21
reflektiert und dann vom Strahlteiler 20 durch die Strahlteiler 42 und 22 und die
teilverspiegelte Platte 7 gerichtet und von dem Objektiv 8 am Hornhautscheitel 23
fokussiert. Das am Hornhautscheitel 23 reflektierte Lichtbündel 24 läuft denselben Weg
wie der Referenzstrahl 5 zurück und wird von dem Strahlteiler 3 auf den Photodetektor 16
gespiegelt. Außerdem läuft ein Teil dieses Lichtbündels durch den Strahlteiler 20
geradlinig hindurch und ermöglicht eine visuelle Kontrolle der Zentrierung des Auges
bezüglich der Achse des Referenzstrahls 5 durch einen Beobachter 31.
Bei der Kurzkohärenz-Interferometrie wird die optische Weglänge des Referenzstrahls 5
gescannt, das bedeutet, daß bei dem sogenannten "z-Scan" der Referenzspiegel 21
entlang der Achse des Referenzstrahls 5 in Richtung des Doppelpfeils 32 bewegt wird.
Wenn die Weglänge des Referenzstrahls 5 vom Strahlteiler 3 zum Hornhautscheitel 23
und zurück innerhalb der Kohärenzlänge lc des Lichtstrahls 1 gleich der Weglänge des
Meßstrahls 4 vom Strahlteiler 3 zu einer lichtremittierten Stelle im Auge 9 und zurück zum
Strahlteiler 3 ist, tritt am Photodetektor 16 Interferenz auf. Durch kontinuierliches
Verschieben des Referenzspiegels 21 wird mit Hilfe der dann am Photodetektor 16
auftretenden Interferenzen die z-Position lichtremittierender Stellen im Objekt registriert.
Die Bestimmung der z-Position erfolgt mit einer Genauigkeit, die etwa durch die
Kohärenzlänge lc ≅ λ2/Δλ des benutzten Lichts gegeben ist; hier ist λ die mittlere
Wellenlänge und Δλ ist die Wellenlängen-Bandbreite der benutzten Strahlung. Zur
Erfassung der x-Koordinate wird entweder das Objekt in x-Richtung bewegt oder, wie in
der Fig. 1 angedeutet, der Meßstrahl tastet die x-Koordinaten am Objekt 1 mittels eines
rotierenden oder schwingenden Drehspiegels 6 ab. Dadurch wird der Meßstrahl 4 normal
zur Sehachse 27 des Auges bewegt (Doppelpfeil 33).
Das vom Hornhautscheitel zurücklaufende Lichtbündel 24 wird ferner von dem Strahlteiler
22 zur Optik 25 reflektiert. Die Optik 25 projiziert gemeinsam mit der Optik 8 ein Bild von
dem auf dem Hornhautscheitel 23 vom Referenzstrahl 5 erzeugten Lichtfleck auf ein
Diodenarray, beispielsweise eine Vierquadrantendiode 26. Dadurch erhält man eine
richtungsempfindliche Registrierung des an der Hornhaut reflektierenden Lichtbündels.
Wenn sich nämlich der Referenzstrahl 5 auf der Sehachse 27 des Auges befindet, .
entsteht auf dem Diodenarray ein rotationssymmetrischer Lichtfleck. Befindet sich der
Referenzstrahl 5 außerhalb der optischen Achse 27 des Auges, wird er entsprechend
mehr seitlich reflektiert und die Helligkeitsverteilung in dem Lichtfleck auf dem
Photodetektorarray 26 weicht von der Rotationssymmetrie des Auges ab. aus der Größe .
der Signal des Diodenarrays kann die Zentrierung des Auges bezüglich der Achse des
Referenzstrahls 5 beurteilt werden. Diese Signale können dann entweder zur
Nachstellung der Zentrierung benutzt werden, beispielsweise durch Verschiebung des
Interferometers relativ zum Auge und/oder es kann bei Überschreiten eines
Schwellwerts die Registrierung der kurzkohärent-interferometrisch gemessenen z-Signale
unterbrochen werden. Auf diese Weise können Meßfehler durch transversale
Dejustierung des Auges drastisch reduziert werden. Es sei noch erwähnt, daß anstelle
des Referenzstrahls 5 auch ein anderer koaxial zum Referenzstrahl eingespiegelter
Lichtstrahl zur Nachstellung der Zentrierung eingespiegelt werden kann. Ein solcher
Lichtstrahl kann durch eine Lampe 40 erzeugt, durch eine Optik 41 kollimiert und mittels
eines Strahlteilers 42 koaxial auf die Achse des Referenzstrahls 5 eingespiegelt werden.
Longitudinale Bewegungen in Richtung der Augenachse, die zu einer Verfälschung der z-
Positionen der gemessenen Strukturen führen, werden durch die erfindungsgemäße
Anordnung kompensiert, weil der Referenzstrahl 5 am Hornhautscheitel reflektiert wird.
Jede longitudinale Bewegung des Auges führt hier im Referenzstrahl zu derselben
Phasenverschiebung wie im Meßstrahl. Dadurch wird auch die Interpretation der
gemessenen Objektstruktur vereinfacht: Alle kurzkohärent-interferometrisch gemessenen
z-Signale haben ihren Bezugspunkt in einer Ebene 34 tangential an den Hornhautscheitel
23.
Die topographische Datenerfassung am Auge kann zweidimensional oder dreidimensional
erfolgen. Bei der zweidimensionalen Datenerfassung können die Meßpositionen
äquidistant entlang einer Geraden, beispielsweise entlang einem Pupillendurchmesser
liegen, wie in der Fig. 2 durch die auf der Geraden 60 durch liegenden Punkte 61
angedeutet. 62 ist der Pupillenrand. Man erhält dann Topogramme entsprechend Fig. 1
in der Literaturstelle A. F. Fercher, and C. K. Hitzenberger, in: Springer Series in Optical
Sciences (ed.: T. Asakura), Vol. 4, Springer Verlag, Berlin 1999. Für eine
dreidimensionale Datenerfassung können die Meßpositionen in der gesamten
Pupillenfläche (x- und y-Koordinaten)beispielsweise äquidistant verteilt, oder über die
Pupille kammartig oder mäanderartig verteilt sein. Man erhält dann zusammen mit den z-
Koordinaten der Kurzkohärenz-Interferometrie beispielsweise die dreidimensionalen
Koordinaten der Corneaoberflächen und Linsenoberflächen. Um eine solche
topographische Datenerfassung zu realisieren, muß der Meßstrahl an beliebige Orte der
(zweidimensionalen) Pupille gesteuert werden können. Dies ist, wie in Fig. 3
beschrieben, mit Hilfe eines Scanning-Spiegelpaars 72 und 72' möglich, deren
Drehachsen normal zueinander liegen. In der Fig. 3 beispielsweise liegt die Drehachse
des Spiegels 72 in der Zeichenebene und die Drehachse des Spiegels 72' ist normal zur
Zeichenebene orientiert.
Schließlich sei noch erwähnt, daß das Scannen des Referenzstrahls auch auf andere
Weise als durch den bewegten Spiegel 21 erfolgen kann, beispielsweise durch .
Anordnungen, wie in der Anmeldung A 472/99 "Periodisch arbeitender optischer
Weglängenmodulator" beschrieben. Auch kann das Scannen der optischen Länge des
Referenzarms durch Scannen der optischen Länge des Meßarms ersetzt werden, wie in
der Fig. 4 dargestellt. Dort wird der Meßstrahl 4 durch einen Umlenkspiegel 50 zu einem
Dachkantprisma 51 gespiegelt und von diesem zurück über den Umlenkspiegel 52 und
weiter zum Umlenkspiegel 6. Das Scannen der optischen Länge des Meßarms erfolgt hier
durch Bewegung des Dachkantprismas 51 in Richtung des Doppelpfeils 53.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht im Einsatz einer
kurzwelliges Licht aussendenden kurzkohärenten Lichtquelle 2 im Zweistrahl-
Interferometer (z. B. blau strahlende Laserdiode). Dadurch sind die von den intraokulären
Geweben Hornhaut 10, Augenlinse 11, Glaskörper 13 und Augenfundus 14 remittierten
Lichtanteile (also der Lichtstrahl 15) deutlich stärker ausgeprägt, als in herkömmlichen
Kurzkohärenz-Interferometern, welche nach dem Stand der Technik Lichtquellen im
nahen Infrarot verwenden. Da die so gewonnen Signale eine größere Amplitude
aufweisen, ist die Detektion und damit die interferometrische Tiefenbestimmung der
lichtremittierenden Schichten präziser möglich.
1
teilkohärenter Lichtstrahl
2
Kurzkohärenz-Lichtquelle
3
Strahlteiler
4
Meßstrahl
5
Referenzstrahl
6
rotierender oder oszillierender Umlenkspiegel
7
teilverspiegelte Platte
8
Objektiv
9
Auge
10
Hornhaut
11
Augenlinse
12
Kammerwasser
13
Glaskörper
14
Augenfundus
15
remittierter Meßstrahl
16
Photodetektor
20
Strahlteiler
21
Referenzspiegel
22
Strahlteiler
23
Hornhautscheitel
24
reflektierter Referenzstrahl
25
Optik
26
Detektor-Array, Vierquadrantendiode
27
Sehachse des Auges
30
Bewegungsrichtung des rotierenden oder oszillierenden Umlenkspiegels
31
Beobachter
32
Bewegungsrichtung des Referenzspiegels
33
Bewegungsrichtung des Meßstrahls
34
Tangentialebene an dem Hornhautscheitel
40
Lichtquelle
41
Optik
42
Strahlteiler
50
Umlenkspiegel
51
Dachkantprisma
52
Umlenkspiegel
53
Bewegungsrichtung des Dachkantprismas
70
Umlenkspiegel
71
Dachkantprisma
72
und
72
' Drehspiegelpaar
73
Drehachse des Drehspiegels
72
74
und
74
' Drehbewegungen des Drehspiegelpaars
72
und
72
'
Claims (3)
1. Anordnungen für die Kohärenz-Topographie des Auges mittels einer Reihe von
kurzkohärent-interferometrisch gemessenen Tiefen-Signalen in verschiedenen
Pupillenpunkten durch Scannen der optischen Länge des Referenzarms eines
Zweistrahl-Interferometers, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl eines
Kurzkohärenz-Interferometers in einer Reihe von Meßpositionen in die Augenpupille
gestrahlt wird und der Referenzstrahl hierbei unabhängig vom Meßstrahl fix auf den
Hornhautscheitel gerichtet und dort reflektiert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transversale Position
des Auges mittels einer richtungsabhängigen Registrierung des am Hornhautscheitel
reflektierten Lichts mit Hilfe eines Diodenarrays oder einer Vierquadrantendiode
kontrolliert wird und ein Kriterium für die transversale Justierung des Auges bezüglich
der Strahlachse gewonnen wird.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
kurzkohärente Lichtquelle des Zweistrahl-Interferometers kurzwelliges Licht abstrahlt.
Priority Applications (3)
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| DE10128219A DE10128219A1 (de) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Anordnungen für Kohärenz-topographisches Ray Tracing am Auge |
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|---|---|---|---|
| DE10128219A Withdrawn DE10128219A1 (de) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Anordnungen für Kohärenz-topographisches Ray Tracing am Auge |
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| JP (1) | JP4021242B2 (de) |
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