DE102014207058A1 - Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces - Google Patents

Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces Download PDF

Info

Publication number
DE102014207058A1
DE102014207058A1 DE102014207058.9A DE102014207058A DE102014207058A1 DE 102014207058 A1 DE102014207058 A1 DE 102014207058A1 DE 102014207058 A DE102014207058 A DE 102014207058A DE 102014207058 A1 DE102014207058 A1 DE 102014207058A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
curved
collimated
incidence
angles
collimated beams
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102014207058.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Bergt
Wei-Jun Chen
Ferid Bajramovic
Michael Trost
Tobias Bühren
Christopher Weth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Meditec AG
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Meditec AG filed Critical Carl Zeiss Meditec AG
Priority to DE102014207058.9A priority Critical patent/DE102014207058A1/en
Priority to PCT/EP2015/057559 priority patent/WO2015155204A1/en
Publication of DE102014207058A1 publication Critical patent/DE102014207058A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem gekrümmte, spiegelnde Flächen gemessen und rekonstruiert werden können. Dabei werden die Flächen optisch vermessen und deren Struktur mittels mathematischer Algorithmen rekonstruiert. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren die gekrümmte, spiegelnde Fläche mit kollimierten Strahlen beleuchtet, das von dieser Fläche reflektierte Licht detektiert und daraus mittels mathematischer Algorithmen deren Struktur rekonstruiert wird. Insbesondere wird die gekrümmte, spiegelnde Fläche mit kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln beleuchtet und das reflektierte Licht telezentrisch detektiert. Die Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche erfolgt mittels eines geometrischen Modelles und einem Differentialgleichungssystem. Obwohl das vorgeschlagene Verfahren insbesondere zur Biometrie in der klinischen Diagnose der Augenheilkunde vorgesehen ist, kann es auch zum Messen und Rekonstruieren gekrümmter, spiegelnder Flächen in anderen technischen Gebieten, wie beispielsweise der industriellen Qualitätskontrolle angewendet werden.The present invention relates to a method with which curved, reflecting surfaces can be measured and reconstructed. The surfaces are optically measured and their structure is reconstructed by means of mathematical algorithms. According to the invention, in the method the curved, reflecting surface is illuminated with collimated beams, the light reflected from this surface is detected, and its structure is reconstructed therefrom by means of mathematical algorithms. In particular, the curved, reflecting surface is illuminated with collimated beams from different, defined directions and / or at different, defined angles of incidence and the reflected light is detected telecentrically. The reconstruction of the curved, reflecting surface is carried out by means of a geometric model and a system of differential equations. Although the proposed method is intended in particular for biometrics in the clinical diagnosis of ophthalmology, it can also be used for measuring and reconstructing curved, specular surfaces in other technical fields, such as industrial quality control.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem gekrümmte, spiegelnde Flächen gemessen und rekonstruiert werden können. Dabei werden die gekrümmten, spiegelnden Flächen optisch vermessen und deren Struktur mittels mathematischer Algorithmen rekonstruiert.The present invention relates to a method with which curved, reflecting surfaces can be measured and reconstructed. The curved, reflecting surfaces are optically measured and their structure is reconstructed by means of mathematical algorithms.

Das Messen einer spiegelnden Oberfläche und die anschließende Rekonstruktion deren gleichmäßig gekrümmter Struktur ist für die verschiedensten Anwendungen hinreichend bekannt. Nach dem bekannten Stand der Technik haben sich dabei insbesondere zwei Varianten entwickelt, auf die im Folgenden kurz eingegangen wird.Measuring a specular surface and then reconstructing its uniformly curved structure is well known for a variety of applications. According to the known state of the art, in particular two variants have developed, which will be briefly discussed below.

Die erste Variante basiert auf der Messung der Distanz zwischen Lichtquelle bzw. Sensor und dem jeweiligen Auftreffort auf der gleichmäßig gekrümmten Struktur. Dabei kommen optische Messverfahren zu Anwendung, mit denen die 3D-Struktur der Oberfläche entlang einer Linie oder Kurve oder über ein 2D-Feld mit Hilfe eines Messstrahls abgetastet wird. Die dazu verwendeten, optischen Messverfahren können beispielsweise auf der optischen Kohärenztomographie (kurz: OCT), der Laufzeitmessung (time of flight, kurz: TOF), der Laser Triangulation (kurz: LT), o. ä. basieren. Auf der Grundlage des aus der Distanzmessung resultierenden räumlichen Musters wird mit mathematischen Mitteln wie räumliche Interpolation, Methode der kleinsten Quadrate o. a. ein geometrisches Modell der gleichmäßig gekrümmten Struktur rekonstruiert.The first variant is based on the measurement of the distance between the light source or sensor and the respective impact location on the uniformly curved structure. Here, optical measurement methods are used, with which the 3D structure of the surface along a line or curve or over a 2D field is scanned with the aid of a measuring beam. The optical measuring methods used for this purpose can be based, for example, on optical coherence tomography (OCT), time of flight (TOF), laser triangulation (LT), or the like. On the basis of the spatial pattern resulting from the distance measurement, mathematical means such as spatial interpolation, least squares method o. A. reconstructed a geometric model of the uniformly curved structure.

Mess- und Auswerteverfahren zu dieser ersten Variante werden beispielsweise von T. Hellmuth u. a. in [1] und T. Swartz u. a. in [2] beschrieben. Bei den OCT-Verfahren wird kohärentes Licht mit Hilfe eines Interferometers zur Entfernungsmessung an reflektiven und streuenden Proben eingesetzt. Am menschlichen Auge liefern die OCT-Verfahren beim Scan in die Tiefe, aufgrund der an optischen Grenzflächen auftretenden Änderungen des Brechungsindexes und aufgrund von Volumenstreuung, messbare Signale.Measurement and evaluation of this first variant are, for example, of T. Hellmuth and others in [1] and T. Swartz and others described in [2]. In the OCT method, coherent light is used with the aid of an interferometer for distance measurement on reflective and scattering samples. In the human eye, OCT techniques deliver measurable signals when scanning in depth, due to refractive index changes occurring at optical interfaces and due to volume scattering.

Das beispielsweise in US 5,321,501 beschriebene Grundprinzip des OCT-Verfahrens basiert auf der Weißlicht-Interferometie und vergleicht die Laufzeit eines Signals mit Hilfe eines Interferometers (meist Michelson-Interferometer). Dabei wird der Arm mit bekannter optischer Weglänge (= Referenzarm) als Referenz zum Messarm, in dem sich die Probe befindet, herangezogen. Die Interferenz der Signale aus beiden Armen ergibt ein Muster, aus dem man die Streuamplituden in Abhängigkeit von der optischen Verzögerungen zwischen den Armen bestimmen kann und somit ein tiefenabhängiges Streuprofil, dass in Analogie zur Ultraschalltechnik als A-Scan bezeichnet wird. In den mehrdimensionalen Rasterverfahren wird der Strahl dann transversal in einer oder zwei Richtungen geführt, womit sich ein flächiger B-Scan oder ein dreidimensionales Volumentomogramm aufnehmen lässt. Dabei werden die Amplitudenwerte der einzelnen A-Scans in linearen oder logarithmierten Graustufen- oder Falschfarbenwerten dargestellt. Die Technik der Aufnahme einzelner A-Scans wird auch als optische Kohärenzdomänenreflektometrie (OCDR) bezeichnet, demgegenüber OCT durch laterales Scannen eine zwei- oder dreidimensionale Bildgebung realisiert.This example in US 5,321,501 described basic principle of the OCT method is based on white light interferometry and compares the duration of a signal using an interferometer (usually Michelson interferometer). The arm with known optical path length (= reference arm) is used as a reference to the measuring arm in which the sample is located. The interference of the signals from both arms gives a pattern from which one can determine the scattering amplitudes as a function of the optical delays between the arms and thus a depth-dependent scattering profile, which is referred to as A-Scan in analogy to the ultrasound technique. In the multidimensional scanning methods, the beam is then guided transversely in one or two directions, enabling a planar B-scan or a three-dimensional volume tomogram to be recorded. The amplitude values of the individual A-scans are displayed in linear or logarithmized greyscale or false color values. The technique of capturing single A-scans is also referred to as Optical Coherence Domain Reflectometry (OCDR), whereas OCT realizes two- or three-dimensional imaging by lateral scanning.

Im Gegensatz dazu wird bei der zweiten, auch als Deflektometrie bezeichneten Variante, ein gestaltetes 2D-Muster auf die gleichmäßig gekrümmte Oberfläche projiziert. Das von der Oberfläche reflektierte virtuelle Bild des gestalteten 2D-Musters wird von einem Kamerasystem aufgenommen. Durch die Analyse der durch diskrete Bereiche der gekrümmten Fläche verursachten Verzerrungen, kann die Oberfläche als geometrisches Modell rekonstruiert werden. Auch hier werden für die Rekonstruiert der vermessenen Struktur mathematische Algorithmen verwendet. Besonders wichtig ist, dass das virtuelle Abbild des gestalteten 2D-Musters mittels einer Bildverarbeitungstechnik registriert wird. Dafür ist es ausreichend, dass einzelne Paare von Einstrahl- und Reflexionsvektoren auf der Grundlage der verfügbaren Parameter aus dem System-Design registriert werden. Nur so ist eine Rekonstruktion der Oberfläche überhaupt möglich.In contrast, in the second variant, also referred to as deflectometry, a designed 2D pattern is projected onto the uniformly curved surface. The surface-reflected virtual image of the designed 2D pattern is captured by a camera system. By analyzing the distortions caused by discrete areas of the curved surface, the surface can be reconstructed as a geometric model. Again, mathematical algorithms are used for the reconstructed structure. Most importantly, the virtual image of the designed 2D pattern is registered using an image processing technique. For this, it is sufficient to register individual pairs of irradiation and reflection vectors based on the available parameters from the system design. Only then is a reconstruction of the surface possible.

Ein typisches Beispiel für diese Variante ist die Verwendung sogenannter Placido-Scheiben, die ein aus konzentrisch abwechselnd schwarzen und weißen Ringen bestehendes Ringsystem aufweist. Dieses Ringsystem wird auf die Hornhautvorderfläche projiziert, die ringförmigen Reflexbilder werden mit einer Kamera aufgenommen und meist computergestützt ausgewertet. In Abhängigkeit der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt. Um aus diesen Reflexionssignalen eine Bestimmung der Kurvatur zu erhalten, müssen die Verzerrungen der Ringe mit einer bekannten Form verglichen werden, die üblicherweise als eine Kugel mit einem Radius von 7,8 mm gewählt ist. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der Schrift US 4,685,140 A beschrieben.A typical example of this variant is the use of so-called Placido disks, which has a concentric alternating black and white rings existing ring system. This ring system is projected onto the anterior surface of the cornea, the ring-shaped reflex images are taken with a camera and usually evaluated computer-aided. Depending on the curvature of the cornea, the reflected ring pattern detected by the camera is distorted. In order to obtain a determination of the curvature from these reflection signals, the distortions of the rings must be compared with a known shape, which is usually chosen as a sphere with a radius of 7.8 mm. Such a solution is for example in the Scriptures US 4,685,140 A described.

Die zur Anwendung kommenden Placido-Scheiben zur Erzeugung konzentrischer Ringe müssen dabei nicht zwangsläufig plan 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 beschrieben, verbreiteter sind allerdings trichterförmige ( US 5,684,562 A , US 6,116,738 A ) oder auch sphärisch gewölbte ( US 5,864,383 A ) Placido-Scheiben.The Placido disks used to produce concentric rings do not necessarily have to be flat. Such plane Placido disks are indeed sufficient in the prior art known and for example in US 5,110,200 A and US 5,194,882 A However, more widespread are funnel-shaped ( US 5,684,562 A . US 6,116,738 A ) or even spherically curved ( US 5,864,383 A ) Placido slices.

Das in der DE 198 57 001 A1 beschriebene Kombinationsgerät ist unter anderem auch zur berührungslosen Bestimmung der Hornhautkrümmung des Auges geeignet. Bei dieser Lösung werden sechs symmetrisch angeordnete, kollimierte Lichtstrahlen auf das Auge projiziert und das von der Hornhaut reflektierte Licht telezentrisch detektiert. Die Beleuchtung erfolgt vorzugsweise mittels IR-Lichtes, um die Fixation des Patientenauges auf ein Fixierlicht nicht zu behindern. Durch eine telezentrische Blende und entsprechende Kollimatoren wird gewährleistet, dass die Einfallswinkel für die Messungen konstant und unabhängig von der axialen Lage des Patientenauges sind. Die Auswertung basiert auf einem Ellipsenmodell, das zwei senkrecht zueinander verlaufenden Radien und einen Orientierungswinkel enthält. Die Oberfläche der Hornhaut wird anhand der gemessenen Entfernungen und dem torischen Modell rekonstruiert.That in the DE 198 57 001 A1 described combination device is also suitable for non-contact determination of the corneal curvature of the eye. In this solution, six symmetrically arranged, collimated light beams are projected onto the eye and the light reflected from the cornea is detected telecentrically. The illumination is preferably carried out by means of IR light so as not to hinder the fixation of the patient's eye on a fixation light. A telecentric aperture and corresponding collimators ensure that the angles of incidence for the measurements are constant and independent of the axial position of the patient's eye. The evaluation is based on an ellipse model, which contains two perpendicular radii and an orientation angle. The surface of the cornea is reconstructed on the basis of the measured distances and the toric model.

Im Allgemeinen haben derartige Verfahren häufig Probleme bei der Ausrichtung des Systems, sowie dem Erreichen und Halten des Fokussierzustandes. Da sich drüber hinaus Reflexionssignale aus der Umwelt sehr störend auswirken, ist dies bei der Konstruktion und/oder der Aufstellung des Gerätes zwingend zu berücksichtigen.In general, such methods often have problems in aligning the system, as well as achieving and maintaining the focus state. In addition, since reflection signals from the environment have a very disturbing effect, this must be taken into account when constructing and / or installing the device.

Obwohl die zuvor beschriebenen beiden Varianten zum Messen und Rekonstruktion der spiegelnden Oberfläche einer gleichmäßig gekrümmten Struktur in den vergangenen Jahrzehnten eine breite Anwendung gefunden haben, sind die Methoden nach wie vor mit Nachteilen behaftet, die deren Genauigkeit, Robustheit und Flexibilität negativ beeinflussen.Although the above-described two variants for measuring and reconstructing the specular surface of a uniformly curved structure have been widely used in recent decades, the methods still suffer from disadvantages which adversely affect their accuracy, robustness and flexibility.

Beim Scannen nicht stationärer Oberflächen, wie beispielsweise der menschlichen Hornhaut ist zusätzlich mit folgenden Schwierigkeiten zu rechnen, wobei die Aufzählung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erfüllt:

  • • Probleme bei der Synchronisation zwischen Messgerät und Oberfläche während der Messung;
  • • Probleme bei der Fokussierung des Imaging-Systems auf kleine Oberflächen, insbesondere bei einem geringem Abstand zur Oberfläche;
  • • Auswirkung auch kleiner Verschiebungen der Oberfläche zur Bildachse auf die aufgezeichneten virtuellen Bilder, insbesondere bei einer vergrößerten Darstellung;
  • • Auswirkung auch kleiner Neigungen asphärischer und konvexer Oberflächen auf die aufgezeichneten virtuellen Bilder, insbesondere bei einer vergrößerten Darstellung;
  • • Überlagerung der in den aufgezeichneten Daten enthalten virtuellen Bild der gemessenen Oberfläche durch Umgebungsbeleuchtung und diffuse Reflexionen an lichtundurchlässigen Schichten.
When scanning non-stationary surfaces, such as the human cornea, in addition to the following difficulties can be expected, the list is not exhaustive:
  • • Problems with the synchronization between meter and surface during the measurement;
  • • problems in focusing the imaging system on small surfaces, especially at a small distance from the surface;
  • • the effect of small shifts of the surface to the image axis on the recorded virtual images, especially in an enlarged representation;
  • The effect of even small inclinations of aspheric and convex surfaces on the recorded virtual images, especially in an enlarged representation;
  • • Superposition of the virtual image of the measured surface contained in the recorded data by ambient lighting and diffuse reflections on opaque layers.

Literatur:Literature:

  • [1] T. Hellmuth, J. Wei, Optical Coherence Tomography Corneal Mapping Apparatus, US patent 5491524 A , filed in 1994, published in Feb. 1996.[1] T. Hellmuth, J. Wei, Optical Coherence Tomography Corneal Mapping Apparatus US patent 5491524 A , filed in 1994, published in Feb. 1996.
  • [2] T. Swartz, L. Marten and M. Wang, Measuring the cornea: the latest developments in corneal topography, Current Opinion in Ophthalmology, 18: 325–333, 2007 .[2] T. Swartz, L. Marten and M. Wang, Measuring the cornea: the latest developments in corneal topography, Current Opinion in Ophthalmology, 18: 325-333, 2007 ,

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu entwickeln, die die Nachteile und Schwierigkeiten der nach dem Stand der Technik bekannten Methoden behebt, so dass das Messen und Rekonstruieren gekrümmter, spiegelnder Flächen genauer, robuster und flexibler erfolgt.The object of the present invention is to develop a solution which overcomes the disadvantages and difficulties of the prior art methods so that measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces is more accurate, robust and flexible.

Erfindungsgemäß wird diese zugrunde liegende Aufgabe mit dem Verfahren zum Messen und Rekonstruieren gekrümmter, spiegelnder Flächen, bei dem die gekrümmte, spiegelnde Fläche mit kollimierten Strahlen beleuchtet, das von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierte Licht detektiert und daraus mittels mathematischer Algorithmen die Struktur der gekrümmten, spiegelnden Fläche rekonstruiert wird, dadurch gelöst, dass die kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche treffen, dass das von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierte Licht telezentrisch detektiert wird und zur Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche ein Differentialgleichungssystem gelöst wird.According to the invention, this object is achieved with the method for measuring and reconstructing curved, reflective surfaces, in which the curved, specular surface is illuminated with collimated rays, the light reflected from the curved specular surface is detected, and the structure of the curved, mirrored surfaces is determined by mathematical algorithms. is reconstructed, that the collimated beams from different, defined directions and / or meet at different, defined angles of incidence on the curved, reflective surface, that the reflected light from the curved, reflective surface is detected telecentrically and to reconstruct the curved, specular surface a differential equation system is solved.

Das vorgeschlagene Verfahren kann prinzipiell zum Messen und Rekonstruieren gekrümmter, spiegelnder Flächen in verschiedenen technischen Gebieten, wie beispielsweise der industriellen Qualitätskontrolle angewendet werden. Insbesondere ist das Verfahren aber in der klinischen Diagnose der Augenheilkunde zur Bestimmung der biometrischen Daten der Kornea (Hornhaut) von Augen anwendbar.The proposed method can in principle be used for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces in various technical fields, such as industrial Quality control are applied. In particular, however, the method is applicable in the clinical diagnosis of ophthalmology for the determination of the biometric data of the cornea of eyes.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigenThe invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments. Show this

1: eine schematische Darstellung der Beleuchtung einer gekrümmten, spiegelnden Fläche mit einem kollimierten Strahl, 1 FIG. 2: a schematic representation of the illumination of a curved, reflecting surface with a collimated beam, FIG.

2: eine schematische Darstellung der telezentrischen Detektion eines die gekrümmte, spiegelnde Fläche beleuchtenden kollimierten Strahls, 2 FIG. 2 is a schematic representation of the telecentric detection of a collimated beam illuminating the curved, specular surface. FIG.

3: eine perspektivische Darstellung der gekrümmten, spiegelnden Fläche mit einem als Normalvektor reflektierten Strahl, 3 FIG. 2: a perspective view of the curved, reflecting surface with a beam reflected as a normal vector, FIG.

4: eine schematische Darstellung der gekrümmten, spiegelnden Fläche in Draufsicht, mit sechs als Normalvektoren reflektierten Strahlen und 4 : A schematic representation of the curved, reflecting surface in plan view, with six beams reflected as normal vectors and

5: eine aus 18 Normalvektoren rekonstruierte gekrümmte, spiegelnde Fläche. 5 : a curved, specular surface reconstructed from 18 normal vectors.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Messen und Rekonstruieren einer gekrümmten, spiegelnden Fläche wird die gekrümmte, spiegelnde Fläche mit kollimierten Strahlen beleuchtet, das von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierte Licht detektiert und daraus mittels mathematischer Algorithmen die Struktur der gekrümmten, spiegelnden Fläche rekonstruiert.In the proposed method of measuring and reconstructing a curved specular surface, the curved specular surface is illuminated with collimated rays, detects light reflected from the curved specular surface, and reconstructs the curved specular surface structure from it by mathematical algorithms.

Erfindungsgemäß treffen die kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche. Dabei wird das von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierte Strahlen telezentrisch detektiert und zur Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche ein Differentialgleichungssystem gelöst.According to the invention, the collimated beams strike the curved, reflecting surface from different, defined directions and / or at different, defined angles of incidence. In this case, the rays reflected by the curved, reflecting surface are detected telecentrically and a differential equation system is solved for the reconstruction of the curved, reflecting surface.

Für die kollimierten Strahlen gilt, dass entweder deren definierte (Einstrahl-)Richtungen oder deren definierte Einfallswinkel oder auch beides variiert werden können.For the collimated beams it is valid that either their defined (single-beam) directions or their defined angles of incidence or both can be varied.

Der Querschnitt der kollimierten Strahlen ist insbesondere so groß, dass jeweils die gesamte, zu rekonstruierende, gekrümmte, spiegelnde Fläche ausgeleuchtet wird.The cross section of the collimated beams is in particular so large that in each case the entire, curved, reflecting surface to be reconstructed is illuminated.

Hierzu zeigt die 1 eine schematische Darstellung der Beleuchtung einer gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS mit einem kollimierten Beleuchtungsstrahl BSK1 aus einer definierten Richtung. Der 1 ist zu entnehmen, dass der kollimierte Beleuchtungsstrahl BSK1 die gesamte gekrümmte, spiegelnde Fläche FGS ausleuchtet. Dabei wird der kollimierte Beleuchtungsstrahl BSK1 von der gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS als Strahlen RS11 bis RS1N in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Zusätzlich ist in die 1 neben der optischen Achse AO auch die Achsen x, y und z des kartesischen Koordinatensystems eingezeichnet.This shows the 1 a schematic representation of the illumination of a curved, reflective surface F GS with a collimated illumination beam BS K1 from a defined direction. Of the 1 It can be seen that the collimated illumination beam BS K1 illuminates the entire curved specular surface F GS . In this case, the collimated illumination beam BS K1 is reflected by the curved, reflective surface F GS as rays RS 11 to RS 1N in different directions. In addition, in the 1 in addition to the optical axis AO and the axes x, y and z of the Cartesian coordinate system drawn.

Statt der Projektion eines zweidimensionalen Musters auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche wird diese vollflächig mit mehreren kollimierten Strahlen beleuchtet und nur die Lichtanteile detektiert, die in Richtung der optischen Achse reflektiert werden und damit dem Normalvektor entsprechen.Instead of projecting a two-dimensional pattern onto the curved, reflecting surface, it is illuminated over the entire surface with a plurality of collimated rays and only the light portions which are reflected in the direction of the optical axis and thus correspond to the normal vector are detected.

In der Geometrie ist ein Normalvektor ein Vektor, der orthogonal, d. h. rechtwinklig bzw. senkrecht auf einer Geraden, Kurve, Ebene oder auch gekrümmten Fläche oder einer höherdimensionalen Verallgemeinerung eines solchen Objekts steht.In geometry, a normal vector is a vector that is orthogonal, d. H. is perpendicular or perpendicular to a straight line, curve, plane or even curved surface or a higher-dimensional generalization of such an object.

Die notwendige Anzahl und das Verteilungsmuster der kollimierten Strahlen hängt typischerweise von der zu modellierenden geometrischen Struktur des Messobjektes ab. So lässt sich beispielsweise die Vorderfläche der Hornhaut des menschlichen Auges durch Kugelmodelle, torische Modelle, bi-konische Modelle oder auch Freiformflächen beschreiben.The necessary number and the distribution pattern of the collimated beams typically depend on the geometric structure of the object to be modeled. For example, the front surface of the cornea of the human eye can be described by spherical models, toric models, bi-conical models or free-form surfaces.

Bei Anwendung des Verfahrens in der Ophthalmologie entspricht die Kornea mit dem Tränenfilm der zu vermessenden gekrümmten, spiegelnden Fläche.When using the method in ophthalmology, the cornea with the tear film corresponds to the curved, specular surface to be measured.

Bei Auges mit einem Radius von 7 bis 8,5 mm hat die Kornea typischer Weise einen Durchmesser von 11 bis 12 mm, wobei der Bereich um die optische Achse von besonderem Interesse ist. Deshalb wird ein zentraler Bereich mit einem Durchmesser von mindestens 4 mm, vorzugsweise 6 mm und besonders bevorzugt von 8 mm vermessen.For eyes with a radius of 7 to 8.5 mm, the cornea typically has a diameter of 11 to 12 mm, with the area around the optical axis being of particular interest. That's why one will central area with a diameter of at least 4 mm, preferably 6 mm and more preferably measured by 8 mm.

Dazu wird die Kornea mit kollimierten Beleuchtungsstrahlen aus unterschiedlichen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln beleuchtet, die einen Durchmesser von 2 bis 15 mm, bevorzugt 4 bis 10 mm aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass die gesamte, zu rekonstruierende Kornea ausgeleuchtet wird.For this purpose, the cornea is illuminated with collimated illumination beams from different, defined directions and / or at different, defined angles of incidence, which have a diameter of 2 to 15 mm, preferably 4 to 10 mm. This ensures that the entire cornea to be reconstructed is illuminated.

Während für ein Kugelmodell 2 kollimierte Strahlen zur Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche ausreichen, sind für torische und bi-konische Modelle mindestens 4 erforderlich, wobei allerdings 6 kollimierte Strahlen eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bieten.While for a spherical model 2 collimated beams are sufficient to reconstruct the curved, specular surface, toric and bi-conical models require at least 4, although 6 collimated beams offer much better reproducibility.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, 2 Sätze mit je 4 oder auch 3 Sätze mit je 6 kollimierten Strahlen zu verwenden um mehr Informationen für die Schätzung des Aspherizität der menschlichen Hornhaut zu erhalten. Ein Satz kollimierter Strahlen hat dabei in der Regel den gleichen Einfallswinkel.It is particularly advantageous here to use 2 sets of 4 or even 3 sets of 6 collimated beams each to obtain more information for the estimation of the asphericity of the human cornea. A set of collimated rays usually has the same angle of incidence.

Für die kollimierten Beleuchtungsstrahlen sind hierbei in Bezug auf die optische Achse Einstrahlwinkel zwischen ca. 5° und 45°, aber bevorzugt zwischen ca. 6° und 30° zu bevorzugen.For the collimated illumination beams, in this case, with respect to the optical axis, angles of incidence between approximately 5 ° and 45 °, but preferably between approximately 6 ° and 30 °, are to be preferred.

Werden für die Beschreibung der Vorderfläche der Hornhaut des menschlichen Auges Freiformflächen verwendet, so sind, je nach Anzahl der Freiheitsgrade des Modells für deren Rekonstruktion auch deutlich mehr (hunderte oder gar tausende) kollimierte Strahlen erforderlich.If freeform surfaces are used for the description of the front surface of the cornea of the human eye, significantly more (hundreds or even thousands) of collimated rays are required, depending on the number of degrees of freedom of the model for their reconstruction.

Die Beleuchtung mit nur zwei kollimierten Strahlen aus verschiedenen definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln erfolgt hierbei bevorzugt aus entgegengesetzten Richtungen mit gleichen Einfallswinkeln. Dadurch wird eine eindeutige Zuordnung der Reflexionsstrahlen zu den Beleuchtungsstrahlen erreicht.The illumination with only two collimated beams from different defined directions and / or under different, defined angles of incidence is preferably effected from opposite directions with the same angles of incidence. As a result, an unambiguous assignment of the reflection beams to the illumination beams is achieved.

Bei der Beleuchtung mit mehr als zwei kollimierten Strahlen aus verschiedenen definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln ergeben die die kollimierten Strahlen vorzugsweise ein symmetrisches Bestrahlungsmuster, so dass auch hier eine eindeutige Zuordnung zwischen Reflexions- und Beleuchtungsstrahlen erreicht wird.When lighting with more than two collimated beams from different defined directions and / or under different, defined angles of incidence, the collimated beams preferably give a symmetrical irradiation pattern, so that here too a clear association between reflection and illumination beams is achieved.

Erfindungsgemäß kann die Beleuchtung bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl nacheinander als auch gleichzeitig erfolgen. Beide Varianten haben spezifische Vorteile.According to the invention, the illumination in the proposed method can take place both successively and simultaneously. Both variants have specific advantages.

Während beim gleichzeitigen Beleuchten Bewegungsartefakte ausgeschlossen werden können, ermöglicht die nacheinander erfolgende Beleuchtung klar definierte und zuordenbare Reflexpunkte.While motion artefacts can be ruled out during simultaneous illumination, successive illumination allows clearly defined and assignable reflex points.

Erfindungsgemäß erfolgt die telezentrische Detektion derart, dass nur die von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierten Strahlen detektiert werden, deren Richtung parallel zur optischen Achse verläuft, wozu eine Aperturblende Verwendung findet.According to the invention, the telecentric detection is carried out in such a way that only the rays reflected by the curved, reflecting surface are detected whose direction is parallel to the optical axis, for which purpose an aperture diaphragm is used.

Die Aperturblende verfügt dazu über eine entsprechend kleine Öffnung. Dadurch wird gewährleistet, dass die meisten der Störsignale wie Umweltreflexionen, diffuse Reflexion, usw. erst gar nicht auf den Bildsensor gelangen und die Messergebnisse verfälschen könnten.The aperture diaphragm has a correspondingly small opening. This ensures that most of the interfering signals, such as environmental reflections, diffuse reflection, etc., do not even reach the image sensor and could falsify the measurement results.

Hierzu zeigt die 2 eine schematische Darstellung der telezentrischen Detektion eines die gekrümmte, spiegelnde Fläche beleuchtenden kollimierten Strahls. Von der gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS wird der kollimierte Beleuchtungsstrahl BSK1 in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Der Reflexionsstrahl RS12, der dem Normalvektor entspricht wird dabei in Richtung der optischen Achse OA reflektiert und von der telezentrischen Optik OTZ auf den optischen Sensor SO abgebildet. Dazu verfügt die telezentrische Optik OTZ über eine Aperturblende BA. Auf die Darstellung der in andere Richtungen reflektiert Reflexionsstrahlen RS11 und RS13 bis RS1N wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.This shows the 2 a schematic representation of the telecentric detection of a curved, reflecting surface illuminating collimated beam. From the curved reflecting surface F GS , the collimated illuminating beam BS K1 is reflected in different directions. The reflection beam RS 12 , which corresponds to the normal vector, is reflected in the direction of the optical axis OA and imaged by the telecentric optical system O TZ onto the optical sensor S O. For this purpose, the telecentric optic O TZ has an aperture diaphragm B A. The illustration of the reflection beams RS 11 and RS 13 to RS 1N reflected in other directions has been omitted for reasons of clarity.

Im Gegensatz dazu zeigt die 3 eine perspektivische Darstellung der gekrümmten, spiegelnden Fläche mit einem als Normalvektor reflektierten Strahl. Hierbei ist nur der Teilstrahl BSK1. des kollimierten Beleuchtungsstrahles BSK1 dargestellt, der als Reflexionsstrahl RS12 dem Normalvektor entspricht und von der (nicht dargestellten) telezentrischen Optik OTZ auf den (ebenfalls nicht dargestellten) optischen Sensor SO abgebildet wird. Durch die perspektivische Darstellung ist zu erkennen, dass die der gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS eine sphärische Form aufweist.In contrast, the shows 3 a perspective view of the curved, reflective surface with a normal vector reflected beam. Here, only the partial beam BS K1 . of the collimated illumination beam BS K1 , which corresponds to the normal vector as the reflection beam RS 12 and from the (not shown) telecentric optical system O TZ to the (also not shown) optical sensor S O is shown. By the perspective view it can be seen that the curved, reflective surface F GS has a spherical shape.

In der 3 sind neben einem Koordinatensystem auch die Winkel α und β dargestellt, die wie folgt definieren werden:

α
ist der Winkel zwischen dem Beleuchtungsstrahl und der optischen Achse (z-Achse) und
β
ist der Winkel den die vom Beleuchtungs- und Reflexionsstrahl aufgespannte Fläche mit der x-y-Ebene einschließt.
In the 3 In addition to a coordinate system, the angles α and β are also shown, which will be defined as follows:
α
is the angle between the illumination beam and the optical axis (z-axis) and
β
is the angle that encloses the area spanned by the illumination and reflection beam with the xy plane.

Der Winkel α definiert somit die verschiedenen, definierten Einfallswinkel der kollimierten Beleuchtungsstrahlen und der Winkel β deren Einstrahlrichtung.The angle α thus defines the different, defined angles of incidence of the collimated illumination beams and the angle β their direction of irradiation.

Die sphärische Form der gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS führt dazu, dass die aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln auftreffenden kollimierten Beleuchtungsstrahlen BSK an unterschiedlichen Orten der gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS als Normalvektor in Richtung der optischen Achse OA reflektiert werden.The spherical shape of the curved, reflective surface F GS causes the collimated illumination beams BS K impinging on different, defined directions and / or under different defined angles of incidence at different locations of the curved, reflective surface F GS as a normal vector in the direction of the optical axis OA be reflected.

Die 4 zeigt hierzu eine schematische Darstellung der gekrümmten, spiegelnden Fläche FGS in Draufsicht, mit sechs als Normalvektoren reflektierten Strahlen. Wie bereits erwähnt definiert der Winkel α die Einfallswinkel der kollimierten Beleuchtungsstrahlen und der Winkel β deren Einstrahlrichtung. Da die sechs als Normalvektoren alle auf einem Kreisbogen liegen, erfolgte die Einstrahlung der kollimierten Beleuchtungsstrahlen zwar aus unterschiedlichen Richtungen β, jedoch jeweils mit dem gleichen Einstrahlwinkel α.The 4 shows a schematic representation of the curved, reflective surface F GS in plan view, with six reflected as normal vectors rays. As already mentioned, the angle α defines the angles of incidence of the collimated illumination beams and the angle β their direction of irradiation. Since the six are all on a circular arc as normal vectors, the irradiation of the collimated illumination beam was indeed from different directions β, but each with the same angle of incidence α.

Die auf dem gestrichelten Kreisbogen dargestellten Kreise definieren die den Normalvektoren entsprechenden Reflexionsstrahlen RS11 bis RS61. Der Nummerierung der Reflexionsstrahlen ist zu entnehmen, dass es sich hierbei um einen Satz mit 6 kollimierten Strahlen handelt, die zwar aus verschiedenen, definierten Richtungen jedoch unter dem gleichen Einfallswinkel auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche FGS treffen.The circles shown on the dashed arc define the reflection vectors RS 11 to RS 61 corresponding to the normal vectors. It can be seen from the numbering of the reflection beams that this is a set of 6 collimated beams which strike the curved reflecting surface F GS from different, defined directions but at the same angle of incidence.

Unter der Annahme, dass die optische Achse des Systems identisch mit der Z-Achse eines kartesischen Koordinatensystem ist und unter der weiteren Annahme, dass die zu messende Oberfläche durch eine explizite Gleichung beschrieben werden kann z = f(x, y) folgt, dass ein Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse verläuft und durch den Sensor erfasst werden kann, dann als Normalvektor mit den folgenden Koordinaten bezeichnet werden kann:

x, y
zweidimensionale Position auf der x, y-Ebene,
α, β
Einfallswinkel eines kollimierten Strahls,
Assuming that the optical axis of the system is identical to the Z axis of a Cartesian coordinate system and assuming that the surface to be measured can be described by an explicit equation z = f (x, y) It follows that a light beam that is parallel to the optical axis and can be detected by the sensor can then be called a normal vector with the following coordinates:
x, y
two-dimensional position on the x, y plane,
α, β
Angle of incidence of a collimated beam,

Für einen kollimierten, durch die Einfallswinkel α und β definierten Strahl ist der Abstand zwischen dem Bildsensor und der gemessenen Oberfläche unbedeutend.For a collimated beam defined by the angles of incidence α and β, the distance between the image sensor and the measured surface is insignificant.

Für die Detektierbarkeit eines Normalvektors, d. h. eines in Richtung der z-Achse reflektierten Strahles, ist es lediglich entscheidend, dass die gekrümmte, spiegelnde Fläche (x, y, z) von dem kollimierten Strahl (vollflächig) beleuchtet wird.For the detectability of a normal vector, i. H. of a beam reflected in the direction of the z-axis, it is only critical that the curved, specular surface (x, y, z) be illuminated (fully) by the collimated beam.

Zur Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche ist ein Differentialgleichungssystem zu lösen.To reconstruct the curved, reflecting surface, a differential equation system is to be solved.

Dabei ergibt sich das Differentialgleichungssystem aus den z-Komponenten der zu berechnenden Normalvektoren für die einzelnen, kollimierten Strahlen, wobei jeder kollimierte Strahl einen einfallenden Strahl mit den Winkeln α0, β0 und einem reflektierten Strahl mit den Winkeln α1, β1 hat.The differential equation system results from the z components of the normal vectors to be calculated for the individual, collimated beams, each collimated beam having an incident beam with the angles α 0 , β 0 and a reflected beam with the angles α 1 , β 1 .

Erfindungsgemäß wird die gekrümmte, spiegelnde Fläche mit N kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln beleuchtet. (xi, yi, αi/2, βi) mit i = 1, 2, ... N According to the invention, the curved, reflecting surface is illuminated with N collimated beams from different, defined directions and / or at different, defined angles of incidence. (x i , y i , α i / 2, β i ) with i = 1, 2, ... N

Wie bereits erwähnt kann N mindestens 2, bevorzugt 25 und besonders bevorzugt mit mehr als 1.000 betragen. As already mentioned, N may be at least 2, preferably 25 and more preferably more than 1000.

Ein Normalvektor lässt sich als Summe zweier Einheitsvektoren berechnen, indem aus dem inversen Einheitsvektor des einfallenden Lichts:

Figure DE102014207058A1_0002
und dem Einheitsvektor des Reflexionslichts:
Figure DE102014207058A1_0003
sich deren Summe mit einer Normalisierung auf z-Achse wie folgt ergibt:
Figure DE102014207058A1_0004
wobei φ und ρ für die Normalvektoren definiert sind als:

φ
Winkel zwischen dem Normalvektor und der optischen Achse (z-Achse) und
ρ
Winkel zwischen der x-Achse und der Projektion des Normalvektors auf die x-y-Ebene.
A normal vector can be calculated as the sum of two unit vectors by calculating from the inverse unit vector of the incident light:
Figure DE102014207058A1_0002
and the unit vector of the reflection light:
Figure DE102014207058A1_0003
the sum of which with a normalization on the z-axis results as follows:
Figure DE102014207058A1_0004
where φ and ρ are defined for the normal vectors as:
φ
Angle between the normal vector and the optical axis (z-axis) and
ρ
Angle between the x-axis and the projection of the normal vector on the xy plane.

Weiter ergibt sich aus den z-Komponenten der zu berechnenden Normalvektoren tanφcosρ = (cosα'tanα'cosβ' – cosαtanαcosβ)/(cosα + cosα') tanφsinρ = (cosα'tanα'sinβ' – cosαtanαsinβ)/(cosα + cosα') für die telezentrische Detektion mit den Bedingungen α' = 0, φ = – α / 2 und ρ = β folgender Lösungsansatz: z = f(x, y) ∂f / ∂x = tanφcosρ = –tan α / 2cosβ ∂f / ∂y = tanφsinρ = –tan α / 2sinβ Next results from the z-components of the normal vectors to be calculated tanφcosρ = (cosα'tanα'cosβ '- cosαtanαcosβ) / (cosα + cosα') tanφsinρ = (cosα'tanα'sinβ '- cosαtanαsinβ) / (cosα + cosα') for telecentric detection with the conditions α '= 0, φ = - α / 2 and ρ = β the following approach: z = f (x, y) ∂f / ∂x = tanφcosρ = -tan α / 2cosβ ∂f / ∂y = tanφsinρ = -tan α / 2sinβ

Für die Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche wird bevorzugt bei einer geringen Anzahl kollimierter Strahlen neben dem zu lösenden Differentialgleichungssystem ein mathematisches Modell verwendet.For the reconstruction of the curved, reflecting surface, a mathematical model is preferably used with a small number of collimated beams in addition to the differential equation system to be solved.

Dadurch wird eine mathematische Beschreibung der gesamten gekrümmten, spiegelnden Fläche möglich. Das zu verwendende mathematische Modell wird in Abhängigkeit der bekannten Parameter des jeweiligen Auges gewählt.This will allow a mathematical description of the entire curved, reflective surface. The mathematical model to be used is chosen as a function of the known parameters of the respective eye.

Hierzu zeigt die 5 eine aus 18 Normalvektoren, in Form von 3 Sätzen mit je 6 kollimierten Strahlen rekonstruierte gekrümmte, spiegelnde Fläche mit entsprechendem Koordinatensystem. Wie bereits erwähnt weisen die kollimierten Strahlen eines Satzes dabei den gleichen Einfallswinkel auf. This shows the 5 a curved, reflecting surface reconstructed from 18 normal vectors, in the form of 3 sets of 6 collimated beams, with a corresponding coordinate system. As already mentioned, the collimated rays of a sentence have the same angle of incidence.

Neben sphärischen oder torischen Modellen sind bei dem vorgeschlagenen Verfahren, unter der Voraussetzung einer ausreichend großen Anzahl von Messwerten, beliebige Oberflächenmodelle bis hin zu Freiformflächen verwendbar.In addition to spherical or toric models, in the proposed method, assuming a sufficiently large number of measured values, any surface models up to free-form surfaces can be used.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verfahren zum Messen und Rekonstruieren gekrümmter, spiegelnder Flächen zur Verfügung gestellt, welches die Nachteile und Schwierigkeiten der nach dem Stand der Technik bekannten Methoden behebt, so dass das Messen und Rekonstruieren gekrümmter, spiegelnder Flächen genauer, robuster und flexibler erfolgt.With the solution according to the invention, a method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces is provided, which overcomes the disadvantages and difficulties of the prior art methods, so that measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces is more accurate, robust and flexible ,

Obwohl das vorgeschlagene Verfahren insbesondere zur Biometrie in der klinischen Diagnose der Augenheilkunde vorgesehen ist, kann es prinzipiell auch in anderen technischen Gebieten, wie beispielsweise der industriellen Qualitätskontrolle angewendet werden.Although the proposed method is intended in particular for biometrics in the clinical diagnosis of ophthalmology, it can in principle also be used in other technical fields, such as industrial quality control.

Die besonderen Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens sind darin zu sehen, dass eine beliebigen Anzahl von kollimierten Beleuchtungsstrahlen verwendet werden können, um die gekrümmte, spiegelnde Fläche aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln zu beleuchten. Bei der Verwendung eines mathematischen Oberflächenmodells sind nur 2 kollimierten Beleuchtungsstrahlen ausreichend um die gekrümmte, spiegelnde Fläche rekonstruieren zu können.The particular advantages of the proposed method are that any number of collimated illumination beams can be used to illuminate the curved, specular surface from various defined directions and / or at different, defined angles of incidence. Using a mathematical surface model, only 2 collimated illumination beams are sufficient to reconstruct the curved, specular surface.

Außerdem sind nicht nur sphärische und torische sondern beliebige Oberflächenmodelle zur Beschreibung der gemessenen Oberfläche verwendbar.In addition, not only spherical and toric but any surface models for describing the measured surface can be used.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch darin zu sehen, dass durch die Verwendung einer telezentrischen Detektionsoptik eine Mehrdeutigkeit der Reflexionspunkte vermieden wird und dass das Verfahren in Verbindung mit den aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche treffenden kollimierten Beleuchtungsstrahlen entfernungsunabhängig arbeitet.The essential advantage of the method according to the invention is, however, to be seen in the fact that the use of a telecentric detection optics avoids ambiguity of the reflection points and that the method is combined with the angles of incidence determined from different, defined directions and / or at different, defined angles of incidence. reflecting area incident collimated illumination beams operates independently of distance.

Dadurch sind die Fokussierungsanforderungen nicht so kritisch und der Fokusbereich ist viel größer als bei normalen Kamerasystemen.As a result, the focusing requirements are not so critical and the focus area is much larger than with normal camera systems.

Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die Verwendung einer Aperturblende mit geringer Blendenöffnung die Einflüsse von Umgebungslicht und diffusen Reflexionen weitgehend unterdrückt werden.Another advantage of the proposed method is the fact that the effects of ambient light and diffuse reflections are largely suppressed by the use of an aperture diaphragm with a small aperture.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5321501 [0005] US 5,321,101 [0005]
  • US 4685140 A [0007] US 4685140 A [0007]
  • US 5110200 A [0008] US 5,110,200 A [0008]
  • US 5194882 A [0008] US 5194882 A [0008]
  • US 5684562 A [0008] US 5684562 A [0008]
  • US 6116738 A [0008] US 6116738 A [0008]
  • US 5864383 A [0008] US 5864383 A [0008]
  • DE 19857001 A1 [0009] DE 19857001 A1 [0009]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • T. Hellmuth u. a. [0004] T. Hellmuth et al. [0004]
  • T. Swartz u. a. [0004] T. Swartz et al. [0004]

Claims (16)

Verfahren zum Messen und Rekonstruieren einer gekrümmten, spiegelnden Fläche, bei dem die gekrümmte, spiegelnde Fläche mit kollimierten Strahlen beleuchtet, die von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierten Strahlen detektiert und daraus mittels mathematischer Algorithmen die Struktur der gekrümmten, spiegelnden Fläche rekonstruiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche treffen, die von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierten Strahlen telezentrisch detektiert werden und zur Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche ein Differentialgleichungssystem gelöst wird.A method for measuring and reconstructing a curved specular surface, in which the curved specular surface illuminates with collimated rays, detects the rays reflected by the curved specular surface, and from which the structure of the curved specular surface is reconstructed by means of mathematical algorithms, characterized in that the collimated beams strike the curved, reflecting surface from different, defined directions and / or at different, defined angles of incidence , that the beams reflected from the curved, reflecting surface are detected telecentrically and a differential equation system is solved for the reconstruction of the curved, reflecting surface , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der kollimierten Strahlen so groß ist, dass jeweils die gesamte, zu rekonstruierende gekrümmte, spiegelnde Fläche ausgeleuchtet wird.A method according to claim 1, characterized in that the cross section of the collimated beams is so large that in each case the entire, to be reconstructed curved, reflecting surface is illuminated. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der verwendeten kollimierten Strahlen in Abhängigkeit von der zu modellierenden geometrischen Struktur des Messobjektes von mindestens 2, über 4 bis 6 oder auch deutlich mehr, bis hin zu mehreren 100 oder auch 1.000 beträgt.Method according to claims 1 and 2, characterized in that the number of collimated beams used, depending on the geometric structure of the measurement object to be modeled, is at least 2, more than 4 to 6 or even significantly more, up to several 100 or even 1000 , Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Anzahl der verwendeten kollimierten Strahlen auch deren Verteilungsmuster in Abhängigkeit von der zu modellierenden geometrischen Struktur des Messobjektes gewählt wird und beispielsweise aus 2 Sätzen mit je 4 oder auch 3 Sätzen mit je 6 kollimierten Strahlen bestehen, wobei die kollimierten Strahlen eines Satzes dabei den gleichen Einfallswinkel aufweisen.Method according to Claim 3, characterized in that, in addition to the number of collimated beams used, their distribution pattern is also selected as a function of the geometric structure of the measurement object to be modeled and consist, for example, of 2 sets of 4 or 3 sets of 6 collimated beams each, whereby the collimated rays of a sentence have the same angle of incidence. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei kollimierten Strahlen das Beleuchten aus verschiedenen definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln, bevorzugt aus entgegengesetzten Richtungen mit gleichem Einfallswinkeln erfolgt.Method according to claims 1 to 4, characterized in that with two collimated beams the illumination takes place from different defined directions and / or under different, defined angles of incidence, preferably from opposite directions with the same angles of incidence. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei kollimierten Strahlen das Beleuchten aus verschiedenen definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln erfolgt, wobei die kollimierten Strahlen vorzugsweise ein symmetrisches Bestrahlungsmuster ergeben.Method according to claims 1 to 4, characterized in that with more than two collimated beams, the illumination takes place from different defined directions and / or under different, defined angles of incidence, wherein the collimated beams preferably give a symmetrical irradiation pattern. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kollimierten Strahlen nacheinander oder gleichzeitig aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder Einfallswinkeln auf die gekrümmte, spiegelnde Fläche treffen.Method according to claims 1 to 6, characterized in that the collimated beams impinge on the curved, reflecting surface successively or simultaneously from different, defined directions and / or angles of incidence. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchten der gekrümmten, spiegelnden Fläche mit kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln nacheinander erfolgt, damit die Reflexpunkte klar definiert und zuordenbar sind.A method according to claim 7, characterized in that the illumination of the curved, reflecting surface with collimated rays from different, defined directions and / or under different, defined angles of incidence takes place successively, so that the reflection points are clearly defined and assignable. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchten der gekrümmten, spiegelnden Fläche mit kollimierten Strahlen aus verschiedenen, definierten Richtungen und/oder unter verschiedenen, definierten Einfallswinkeln gleichzeitig erfolgt, um Bewegungsartefakte auszuschließen.A method according to claim 7, characterized in that the illumination of the curved, reflecting surface with collimated beams from different, defined directions and / or under different, defined angles of incidence occurs simultaneously to exclude motion artifacts. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die telezentrische Detektion derart erfolgt, dass nur die von der gekrümmten, spiegelnden Fläche reflektierten Strahlen detektiert werden, deren Richtungen parallel zur optischen Achse verlaufen, wozu eine Aperturblende Verwendung findet.A method according to claim 1, characterized in that the telecentric detection is performed such that only the reflected from the curved, reflective surface rays are detected, whose directions are parallel to the optical axis, including an aperture stop is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgleichungssystem aus der z-Komponente der zu berechnenden Normalvektoren für die einzelnen, kollimierten Strahlen ergeben, wobei jeder kollimierte Strahl einen einfallenden Strahl mit den Winkeln α0, β0 und einem reflektierten Strahl mit den Winkeln α1, β1 hat, wobei α und β wie folgt definiert sind: α Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der optischen Achse z und β Winkel den die vom einfallenden und reflektierten Strahl aufgespannte Fläche mit der x-y-Ebene einschließt.A method according to claim 1, characterized in that the differential equation system results from the z-component of the normal vectors to be calculated for the individual collimated beams, each collimated beam comprising an incident beam having the angles α 0 , β 0 and a reflected beam having the angles α 1 , β 1 , where α and β are defined as follows: α Angle between the incident beam and the optical axis z and β Angle enclosing the plane spanned by the incident and reflected beam with the xy plane. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Normalvektor als Summe zweier Einheitsvektoren berechnet wird, indem aus dem inversen Einheitsvektor des einfallenden Lichts:
Figure DE102014207058A1_0005
und dem Einheitsvektor des Reflexionslichts:
Figure DE102014207058A1_0006
sich deren Summe mit einer Normalisierung auf z-Achse wie folgt ergibt:
Figure DE102014207058A1_0007
wobei φ und ρ für die Normalvektoren definiert sind als: φ Winkel zwischen dem Normalvektor und der optischen Achse (z-Achse) und ρ Winkel zwischen der x-Achse und der Projektion des Normalvektors auf die x-y-Ebene.
A method according to claim 11, characterized in that a normal vector is calculated as the sum of two unit vectors by calculating from the inverse unit vector of the incident light:
Figure DE102014207058A1_0005
and the unit vector of the reflection light:
Figure DE102014207058A1_0006
the sum of which with a normalization on the z-axis results as follows:
Figure DE102014207058A1_0007
where φ and ρ are defined for the normal vectors as: φ angle between the normal vector and the optical axis (z-axis) and ρ angle between the x-axis and the projection of the normal vector onto the xy plane.
Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich aus den z-Komponente der zu berechnenden Normalvektoren tanφcosρ = (cosα'tanα'cosβ' – cosαtanαcosβ)/(cosα + cosα') tanφsinρ = (cosα'tanα'sinβ' – cosαtanαsinβ)/(cosα + cosα') für die telezentrische Detektion mit den Bedingungen α' = 0, φ = – α / 2 und ρ = β folgender Lösungsansatz ergibt: z = f(x, y) ∂f / ∂x = tanφcosρ = –tan α / 2cosβ ∂f / ∂y = tanφsinρ = –tan α / 2sinβ Method according to claims 11 and 12, characterized in that the z-component of the normal vectors to be calculated tanφcosρ = (cosα'tanα'cosβ '- cosαtanαcosβ) / (cosα + cosα') tanφsinρ = (cosα'tanα'sinβ '- cosαtanαsinβ) / (cosα + cosα') for telecentric detection with the conditions α '= 0, φ = - α / 2 and ρ = β the following solution gives: z = f (x, y) ∂f / ∂x = tanφcosρ = -tan α / 2cosβ ∂f / ∂y = tanφsinρ = -tan α / 2sinβ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rekonstruktion der gekrümmten, spiegelnden Fläche bei einer geringen Anzahl kollimierter Strahlen neben dem zu lösenden Differentialgleichungssystem ein mathematisches Modell verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that for the reconstruction of the curved, reflective surface with a small number of collimated beams in addition to the differential equation system to be solved, a mathematical model is used. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verwendende mathematische Modell in Abhängigkeit der bekannten Parameter des jeweiligen Auges gewählt wird.A method according to claim 14, characterized in that the mathematical model to be used is selected as a function of the known parameters of the respective eye. Verfahren nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass als mathematisches Modell für die Vorderfläche der Hornhaut des menschlichen Auges Kugelmodelle, torische Modelle, bi-konische Modelle oder auch Freiformflächen zur Anwendung kommen.A method according to claims 14 and 15, characterized in that are used as a mathematical model for the front surface of the cornea of the human eye ball models, toric models, bi-conical models or free-form surfaces.
DE102014207058.9A 2014-04-11 2014-04-11 Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces Ceased DE102014207058A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014207058.9A DE102014207058A1 (en) 2014-04-11 2014-04-11 Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces
PCT/EP2015/057559 WO2015155204A1 (en) 2014-04-11 2015-04-08 Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014207058.9A DE102014207058A1 (en) 2014-04-11 2014-04-11 Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102014207058A1 true DE102014207058A1 (en) 2015-10-15

Family

ID=52785116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014207058.9A Ceased DE102014207058A1 (en) 2014-04-11 2014-04-11 Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014207058A1 (en)
WO (1) WO2015155204A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020104525A1 (en) 2018-11-21 2020-05-28 Carl Zeiss Meditec Ag Arrangement and method for compensating for the temperature dependence of a facet lens for determining the topography of an eye

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4685140A (en) 1984-06-26 1987-08-04 Kera Corporation Keratograph autoscanner system
US5110200A (en) 1989-06-30 1992-05-05 Technitex, Inc. Video keratometer
US5194882A (en) 1991-06-03 1993-03-16 General Electric Company Keratographic instrument using holographic placido illuminator to reduce alignment sensitivity
US5321501A (en) 1991-04-29 1994-06-14 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for optical imaging with means for controlling the longitudinal range of the sample
US5491524A (en) 1994-10-05 1996-02-13 Carl Zeiss, Inc. Optical coherence tomography corneal mapping apparatus
US5684562A (en) 1994-12-12 1997-11-04 Nidek Company, Ltd. Ophthalmic apparatus
US5864383A (en) 1997-04-24 1999-01-26 Orbtek, Inc. Single-curvature placido plate
DE19857001A1 (en) 1998-12-10 2000-06-15 Zeiss Carl Jena Gmbh Non-contact method and device for measuring eye's length of axis, cornea's curvature and eye's main chamber depth assists selection of intra-ocular lenses to be implanted in eye
US6116738A (en) 1997-01-06 2000-09-12 Vismed, Inc. Corneal topographer with central and peripheral measurement capability
DE10014964A1 (en) * 2000-03-25 2001-01-18 Rainer Sesner Procedure for optical measurement of the shape of reflecting outer surfaces by use of single value, wavelength or intensity, light sources so that a single valued image pattern is obtained

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011102354A1 (en) * 2011-05-24 2012-11-29 Carl Zeiss Meditec Ag System for determining surface shape of cornea of eye, has keratoscope, illuminating unit, image recording unit with telecentric image capturing and control- and evaluation unit
DE102012019474A1 (en) * 2012-09-28 2014-04-03 Carl Zeiss Meditec Ag Device for the reliable determination of biometric measurements of the entire eye

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4685140A (en) 1984-06-26 1987-08-04 Kera Corporation Keratograph autoscanner system
US5110200A (en) 1989-06-30 1992-05-05 Technitex, Inc. Video keratometer
US5321501A (en) 1991-04-29 1994-06-14 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for optical imaging with means for controlling the longitudinal range of the sample
US5194882A (en) 1991-06-03 1993-03-16 General Electric Company Keratographic instrument using holographic placido illuminator to reduce alignment sensitivity
US5491524A (en) 1994-10-05 1996-02-13 Carl Zeiss, Inc. Optical coherence tomography corneal mapping apparatus
US5684562A (en) 1994-12-12 1997-11-04 Nidek Company, Ltd. Ophthalmic apparatus
US6116738A (en) 1997-01-06 2000-09-12 Vismed, Inc. Corneal topographer with central and peripheral measurement capability
US5864383A (en) 1997-04-24 1999-01-26 Orbtek, Inc. Single-curvature placido plate
DE19857001A1 (en) 1998-12-10 2000-06-15 Zeiss Carl Jena Gmbh Non-contact method and device for measuring eye's length of axis, cornea's curvature and eye's main chamber depth assists selection of intra-ocular lenses to be implanted in eye
DE10014964A1 (en) * 2000-03-25 2001-01-18 Rainer Sesner Procedure for optical measurement of the shape of reflecting outer surfaces by use of single value, wavelength or intensity, light sources so that a single valued image pattern is obtained

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. Seßner: Richtungscodierte Deflektometrie durch Telezentrie. Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, 2009 *
S. Werling, J. Beyerer: Oberflächenrekonstruktion mittels Stereodeflektometrie. In: tm - Technisches Messen 78 (2011) 9, S.398-404 *
S. Werling, J. Beyerer: Oberflächenrekonstruktion mittels Stereodeflektometrie. In: tm – Technisches Messen 78 (2011) 9, S.398-404
S. Werling, M. Mai, M. Heizmann, J.Beyerer: Inspection of Specular and Partially Specular Surfaces. In: Metrology and Measurement Systems, Vol. XVI (2009), No. 3, S. 415-431 *
T. Hellmuth u. a.
T. Swartz u. a.
T. Swartz, L. Marten and M. Wang, Measuring the cornea: the latest developments in corneal topography, Current Opinion in Ophthalmology, 18: 325-333, 2007

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020104525A1 (en) 2018-11-21 2020-05-28 Carl Zeiss Meditec Ag Arrangement and method for compensating for the temperature dependence of a facet lens for determining the topography of an eye
DE102018219902A1 (en) 2018-11-21 2020-05-28 Carl Zeiss Meditec Ag Arrangement and method for compensating the temperature dependence of a facet lens for determining the topography of an eye
CN113164039A (en) * 2018-11-21 2021-07-23 卡尔蔡司医疗技术股份公司 Apparatus and method for compensating for temperature dependence of a polygonal lens for determining the topography of an eye

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015155204A1 (en) 2015-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3335001B1 (en) Method and device for capturing at least one sectional image of the interior of a light-scattering object
EP2799002B1 (en) Method and analysis system for performing ophthalmic examinations
DE102010046500A1 (en) Method and device for recording and displaying an OCT whole-eye scan
DE102012019474A1 (en) Device for the reliable determination of biometric measurements of the entire eye
WO2006032253A1 (en) Device and method for the contactless determination of the direction of viewing
CN109963494A (en) Optical-coherence tomography system with improved picture quality
EP3585245B1 (en) Method and arrangement for high-resolution topography of the cornea of an eye
WO2017016835A1 (en) Method for determining the topography of the cornea of an eye
AU2017343042B2 (en) Optical coherence tomography cross view imaging
WO2012013283A1 (en) Oct-based ophthalmological measuring system
EP3869150B1 (en) Method and apparatus for corneal measurement of a subject
EP3612789B1 (en) Oct image capture device
EP3784980A1 (en) Method and device for testing geometric properties of optical components
DE102011102354A1 (en) System for determining surface shape of cornea of eye, has keratoscope, illuminating unit, image recording unit with telecentric image capturing and control- and evaluation unit
DE102018109726B4 (en) Method and device for measuring the cornea
DE102014207058A1 (en) Method for measuring and reconstructing curved, reflecting surfaces
EP2281500B1 (en) Ophthalmologic measuring device and measuring method
DE102008055755A1 (en) Ophthalmologic measurement system i.e. optical biometer, for obtaining biometric data of eyes of patient, has test unit i.e. test eye, with test eye receiving device for varying position of test unit with respect to evaluating unit
DE3536513A1 (en) DEVICE FOR CONTACTLESS SECTIONS MEASURING THE DESIGN OF CURVED, OPTICALLY EFFECTIVE AREAS
DE102009045130B3 (en) Method for determining the internal structure of a sample
DE202014011051U1 (en) Device for examining a patient's eye
DE102018219902A1 (en) Arrangement and method for compensating the temperature dependence of a facet lens for determining the topography of an eye
Tokayer Contributions to Structural and Functional Retinal Imaging via Fourier Domain Optical Coherence Tomography
DE202014011050U1 (en) Device for examining a patient's eye
DE102014222629A1 (en) Examine an object with OCT scanning light beams

Legal Events

Date Code Title Description
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final