DE19639809A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen einer Erhebung einer Oberfläche, insbesondere einer Netzhaut eines Auges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen einer Erhebung einer Oberfläche eines hinter einer Linse angeordneten Objektes.

In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, feinstruk­ turierte 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 der Augenheilkunde ist es bekannt, zur Diagnose von Erkrankun­ gen der Netzhaut eine topographische Vermessung der Netzhautober­ fläche 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.

Darüber hinaus ist es in der allgemeinen Technik bekannt, die Gestalt von Gegenständen mittels optischer Meßverfahren unter­ schiedlichster Art zu vermessen.

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 Leucht­ dioden, angeordnet.

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 unter­ suchende Auge ist, wird der von der Netzhaut des Auges reflek­ tierte 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.

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 ab­ gegrenzten Halbmondes ergibt sich dann bei ansonsten unveränder­ tem 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 geeig­ neter 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 weiter­ zubilden, daß die Erhebung einer Oberfläche eines hinter einer Linse angeordneten Objektes, insbesondere die Topographie der Oberfläche, mit einfachen Mitteln vermessen werden kann.

Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst:

• a) Aufnehmen eines Videobildes der Oberfläche mittels einer Kamera, deren Objektiv mittels einer im wesent­ lichen halbkreisförmigen Blende im wesentlichen halb abgedeckt ist;
• b) Beleuchten der Oberfläche mittels einer Mehrzahl von vor der Blende angeordneten Lichtquellen;
• c) Messen des Helligkeitsverlaufes des Videobildes entlang einer Achse, die im wesentlichen auf dem die Blende begrenzenden Durchmesser senkrecht steht;
• d) Erfassen der Steigung des Helligkeitsverlaufes; und
• e) Bestimmen der Erhebung aus der Steigung anhand einer vorbestimmten, die Refraktion der Linse relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die der Vorrichtung zugrundeliegende Aufgabe gelöst mit:

• a) einer Kamera, deren Objektiv mittels einer im wesent­ lichen halbkreisförmigen Blende im wesentlichen halb abgedeckt ist;
• b) einer Mehrzahl von vor der Blende angeordneten Lichtquellen;
• c) Mitteln zum Messen des Helligkeitsverlaufes eines von der Kamera aufgenommenen Videobildes der Ober­ fläche entlang einer Achse, die im wesentlichen auf dem die Blende begrenzenden Durchmesser senkrecht steht;
• d) Mitteln zum Erfassen der Steigung des Helligkeitsver­ laufes; und
• e) Mitteln zum Bestimmen der Erhebung aus der Steigung anhand einer vorbestimmten, die Refraktion der Linse relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

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 Anwen­ dungsfall beschränkt, da auch andere Objekte, insbesondere leblose Objekte, Werkstücke und dergleichen mit dem geschilderten Verfahren vermessen werden können.

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 Ober­ fläche an mindestens einem Punkt, in der Tiefe zu vermessen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zum Vermessen der Topographie der Oberfläche die Erhebung an einer Vielzahl von Punkten der Oberfläche gemessen.

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.

Wenn das Meßobjekt eine Netzhaut eines Auges ist, wird dies bei einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels verfah­ rensmäßig 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 rechtwink­ lig verlaufenden Koordinaten verfahren wird, wobei die Blickrich­ tung des der Marke folgenden Auges aus der Position des im Videobild erscheinenden Purkinje′schen Reflexes auf der Linse des Auges bestimmt wird.

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.

Diese Maßnahmen haben für die genannten Anwendungsfälle den Vorteil, daß es mit äußerst einfachen Mitteln möglich ist, die zu vermessende Oberfläche punktweise abzutasten.

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 über­ fahren werden müssen. Auf diese Weise kann durch optische Kontrolle eine Redundanz bei der Meßwertaufnahme minimiert werden.

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.

Zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahrensvarianten können unterschiedliche Vorrichtungen eingesetzt werden.

Wenn die Topographie einer Netzhaut eines Auges vermessen werden soll, umfaßt eine vorzugsweise eingesetzte Vorrichtung:

• a) eine Anordnung zum Fixieren des Auges auf der opti­ schen Achse des Objektives;
• b) eine Anordnung zum Verfahren einer Marke entlang von zur optischen Achse im wesentlichen senkrecht ver­ laufenden Koordinaten; sowie
• c) eine Anordnung zur Bestimmung des im Videobild erscheinenden Purkinje′schen Reflexes auf der Linse des Auges.

Wenn hingegen die Topographie einer Oberfläche eines leblosen Meßobjektes vermessen werden soll, umfaßt die erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung vorzugsweise:

• a) eine Anordnung zum Ausrichten der Oberfläche recht­ winklig zur optischen Achse der Kamera;
• b) ein raumfest zwischen der Kamera und dem Meßobjekt auf der optischen Achse positioniertes Objektiv;
• c) eine Anordnung zum Verfahren des Meßobjektes entlang von zur optischen Achse im wesentlichen senkrecht verlaufenden Achsen, wobei ein Leuchtpunkt mit dem Meßobjekt starr verbunden ist; und
• d) eine Anordnung zum Bestimmen der Position des Schnitt­ punktes der optischen Achse mit der Oberfläche aus der Position des Leuchtpunktes im Videobild.

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.

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 unterschied­ lich reflektierender Bereiche der zu vermessenden Oberfläche werden auf diese Weise vermieden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachste­ hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Videokamera, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

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 Verfah­ rensvarianten untersucht wird;

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;

Fig. 12 einen Helligkeitsverlauf aus dem Videobild gemäß Fig. 11;

Fig. 13 eine aus der Kurvenschar gemäß Fig. 12 ermittelte Kennlinie;

Fig. 14 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Anordnung zum Durchführen einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in der Augenheilkunde;

Fig. 15 eine Darstellung, ähnlich Fig. 14, jedoch für einen allgemeinen technischen Anwendungsfall der Vermessung eines leblosen Meßobjektes.

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 halbkreis­ förmigen Blende 14 abgedeckt ist. Die Blende 14 ist an ihrer Oberseite entlang eines Durchmessers 15 begrenzt, der durch das Zentrum des Objektivs 12 verläuft.

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 e₁ vom Durchmesser 15 beabstandet, die übrigen Reihen 21, 22 und 23 sind jeweils mit zunehmender Exzentrizität e₂, e₃ bzw. e₄ angeordnet. Die Anzahl der Leuchtdioden in den Reihen 20 bis 23 nimmt mit der Exzentrizität e₁ bis e₄ zu, um Nichtlinearitäten infolge der exzentrischen Anordnung zu kompensieren.

In den Fig. 2 bis 4 sind Strahlengänge für verschiedene Meßanord­ nungen innerhalb der Augenheilkunde schematisch dargestellt.

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.

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 Lichtstrah­ len 35a, 35b schneiden sich in der Fokalebene des Auges 33 und erzeugen einen zum Objektiv 12 hin gerichteten Lichtkegel 36.

Aufgrund des Maßes der Exzentrizität e₁ 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.

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.

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 Licht­ kegel 36a gegenüber der Situation in Fig. 2 nach unten gekippt ist, so daß der gesamte Lichtkegel 36a in den Bereich der Blende 14 fällt.

Die zugehörige Fig. 7 zeigt, daß die Kamera 10 daher ein Videobild der Pupille 39 aufnimmt, das vollkommen unbeleuchtet ist.

Bei Zwischenwerten der Exzentrizität e erscheinen entsprechend kleinere "Halbmonde", wie in Fig. 6 veranschaulicht.

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 ist 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.

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 vari­ ierender 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 Hellig­ keitsverlauf, 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.

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.

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.

Die zweite Kurve 57 betrifft ein im wesentlichen normalsichtiges Auge, während die dritte Kurve 58 den Fall eines weitsichtigen Auges mit negativer Refraktion (- D) darstellt. Mit α 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 α 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 Hellig­ keitsverlauf H (y) ermitteln und aus der Steigung des Hellig­ keitsverlaufes über die Kennlinie gemäß Fig. 13 unmittelbar die Refraktion R in Dioptrien D feststellen kann.

Fig. 14 zeigt eine ersten Meßanordnung 70 für Anwendungen in der Augenheilkunde.

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.

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.

Zu diesem Zweck wird die relative Position des ersten Purkin­ je′schen Reflexes 72 in der Pupille 39 innerhalb des aufge­ nommenen Videobildes erfaßt.

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 vorzugs­ weise fünf verschiedenen Anzeigen 86, 87, 88, 89 und 90.

Die erste Anzeige 86 stellt das aufgenommene Videobild der Pupille 39 dar.

Die zweite Anzeige 87 symbolisiert das Koordinatensystem y-x 73 bzw. die Position der darin bewegten Marke 71.

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.

Die vierte Anzeige 89 zeigt den bereits anhand von Fig. 12 dargestellten Helligkeitsverlauf.

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 Unter­ suchungsbereich abgetastet wurde oder nicht.

Wird die Marke 71 nicht von Hand sondern mittels einer mecha­ nischen oder optischen Vorrichtung automatisch geführt, so können die Koordinaten x und y der Vorrichtung 80 über einen Eingang 95 zugeführt werden.

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 Purkinje′schen Reflexes 72 in der Pupille 39 aufgezeichnet. Die untersuchende Person führt die Marke 71, bspw. einen Bleistift oder ein kleines Bild, im Gesichtsfeld der Versuchs­ person hin und her. Er bemüht sich dabei, das Gesichtsfeld der Versuchsperson möglichst flächendeckend zu fahren.

In der weiter oben anhand der Fig. 11 bis 13 erläuterten Weise werden nun die Refraktionswerte R bestimmt und in Abhängigkeit von der zugehörigen Blickwinkelposition in der Recheneinheit 81 zwischengespeichert. Die Erhebungswerte z werden nun über im Kennlinienspeicher 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 korri­ gierender 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 der Praxis erreicht man bspw. bei 1 Grad Winkelauflösung eine Tiefenauflosung in der Größenordnung von 0,1 mm, begrenzt durch die optische Qualität des Auges.

Bei der in Fig. 15 dargestellten Variante dient eine Meßanordnung 98 zum Vermessen der Topographie eines leblosen Meßobjektes, 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 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 recht­ winklig zur optischen Achse 26 verlaufen.

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.

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.

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 ophthalmologischen Untersuchung gemäß Fig. 14 geschieht. Dies würde bedeuten, daß man auf dem Objektiv 106 ebenfalls den Purkinje′schen 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.

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 positio­ niert.

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 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 µm. 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.

Die Auflösung in der Bildebene x/y hängt von der Auflösung des Videobildes und von der Präzision des Kreuztischs 101 ab.

Wenn bei einer Anordnung gemäß Fig. 15 Meßobjekte vermessen werden sollen, deren Oberfläche nicht-homogene Reflexions­ eigenschaften aufweist, würde dies zu Meßfehlern führen, wenn die Helligkeitsverläufe durch das Reflexionsverhalten des jeweiligen Meßpunktes beeinflußt werden.

In derartigen Fällen ist es daher vorteilhaft, statt des Meßobjektes selbst einen Negativabdruck des Meßobjektes zu vermessen, der mit einer optisch homogenen Abdruckmasse (z. B. Plastilin) hergestellt wurde.

Claims (12)

1. Verfahren zum Vermessen einer Erhebung (z) einer Oberfläche eines hinter einer Linse (31; 106) angeordneten Objektes (32; 105) mit den Schritten:

• 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;
• b) Beleuchten der Oberfläche mittels einer Mehrzahl von vor der Blende (14) angeordneten Lichtquellen (20 bis 23);
• 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;
• d) Erfassen der Steigung (tan α) des Helligkeitsverlaufes (56 bis 58); und
• f) Bestimmen der Erhebung (z) aus der Steigung (tan α) anhand einer vorbestimmten, die Refraktion (R) der Linse (31; 106) relativ zur Oberfläche berück­ sichtigenden Kennlinie (60, 82).

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.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv eine Netzhaut (32) eines Auges (30) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagebestimmung einzelner Meßpunkte auf der Netzhaut (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′schen Reflexes (72) auf der Linse (31) des Auges (30) bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein lebloses Meßobjekt (105) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagebestimmung einzelner Meßpunkte auf dem Meßobjekt (105), dessen Oberfläche rechtwinklig zur optischen Achse (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 (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 (105) starr verbundenen Leuchtpunktes (104) im Videobild bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt ein integrierter Schaltkreis ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt ein Abdruck eines Gegenstandes ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdruck ein Gebißabdruck ist.

10. Vorrichtung zum Vermessen einer Erhebung (z) einer Ober­ fläche eines hinter einer Linse (31; 106) angeordneten Objektes (32; 105):

• a) einer Kamera (10), deren Objektiv (12) mittels einer im wesentlichen halbkreisförmigen Blende (14) im wesentlichen halb abgedeckt ist;
• b) einer Mehrzahl von vor der Blende (14) angeordneten Lichtquellen (20 bis 23);
• c) Mitteln zum Messen des Helligkeitsverlaufes (56 bis 58) eines von der Kamera (10) aufgenommenen Video­ bildes (50) der Oberfläche entlang einer Achse (y), die im wesentlichen auf dem die Blende (14) begrenzen­ den Durchmesser (15) senkrecht steht;
• d) Mitteln zum Erfassen der Steigung (tan α) des Hellig­ keitsverlaufes (56 bis 58); und
• e) Mitteln zum Bestimmen der Erhebung (z) aus der Steigung (tan α) anhand einer vorbestimmten, die Refraktion (R) der Linse (31; 106) relativ zur Oberfläche berücksichtigenden Kennlinie (60; 82).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermessen der Topographie eine Netzhaut (32) eines Auges (30) vorgesehen sind:

• a) eine Anordnung zum Fixieren des Auges (30) auf der optischen Achse (24) des Objektives (12);
• b) eine Anordnung zum Verfahren einer Marke (71) entlang von zur optischen Achse (24) im wesentlichen senkrecht verlaufenden Koordinaten (y, x); sowie
• c) eine Anordnung zur Bestimmung des im Videobild (50) erscheinenden Purkinje′schen Reflexes (72) auf der Linse (31) des Auges (30).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermessen der Topographie einer Oberfläche eines leblosen Meßobjektes (105) vorgesehen sind:

• a) eine Anordnung zum Ausrichten der Oberfläche recht­ winklig zur optischen Achse (24) der Kamera (10);
• b) ein raumfest zwischen der Kammer (10) und dem Meß­ objekt (105) auf der optischen Achse (24) positio­ niertes Objektes (106);
• 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; und
• d) eine Anordnung zum Bestimmen der Position des Schnitt­ punktes der optischen Achse (26) mit der Oberfläche aus der Position des Leuchtpunktes (104) im Videobild.