Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters für die Vermessung der Hornhaut eines Auges und insbesondere für die Bestimmung deren Topografie. Dabei soll die Lösung entfernungsunabhängige Messungen ermöglichen.

Während unter dem Begriff Keratometrie die Vermessung von Form und Gestalt der Hornhaut des Auges zu verstehen ist, werden bei der Topographie als einer besonderen Form der Keratometrie mit speziellen Verfahren die zentralen und peripheren Krümmungsradien der Hornhaut gemessen und mathematisch ausgewertet.

Die Oberflächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges erweist sich dahingehend schwierig, dass die Hornhaut transparent ist und sichtbares Licht nicht in nennenswertem Maße rückgestreut wird.

Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberflächenform mit Hilfe so genannter Keratometer oder Keratographen ist nach dem Stand der Technik seit langem bekannt. Die auf die Hornhaut abgebildeten konzentrischen Ringe einer sogenannten Placido-Scheibe werden durch den Tränenfilm der Hornhaut reflektiert und mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. In Abhängigkeit der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt.

Bei der Placido-Scheibe handelt es sich um eine beleuchtete Scheibe, auf der in regelmäßigen Abständen runde Kreise aufgetragen sind. Die Diagnose wird dann anhand der Betrachtung der Reflexion der Kreise auf der Oberfläche der Kornea gestellt, auf der sich die Kreise ebenso regelmäßig abbilden sollten. Hierbei sollte nun auf der Korneaoberfläche eine symmetrische Reflexion der konzentrischen Placido-Kreise zu sehen sein. Sind hingegen asymmetrische Formen der Kreise zu finden, sind diese Hinweise auf eine Abweichung der Hornhautoberfläche von einer Referenzoberfläche. Unregelmäßigkeiten der Korneaoberfläche sind z. B. bei einem Astigmatismus, aber auch bei mechanischen oder chemischen Verletzungen der Kornea zu finden.

Kommerziell erhältliche Topographiesysteme projizieren reelle Placidoringe in kurzem Abstand vor dem Auge auf die Hornhaut, von wo sie reflektiert und mit einer Kamera erfasst werden. Die Hornhautrekonstruktion basiert auf der Winkelauswertung von Einfalls- und Ausfallswinkel der projizierten und von der Hornhaut reflektierten Placidoringe. Dabei dient die Abweichung der Ringposition auf der Hornhaut relativ zur Ringposition eines bekannten Referenztestkörpers als Grundlage für die Hornhautrekonstruktion. Ein zweiter Nachteil derartiger Lösungen ist darin zu sehen, dass die Genauigkeit der Messung stark von den Winkelverhältnissen und damit vom Messabstand abhängig ist.

Zur Bestimmung bzw. zur Kontrolle des korrekten Messabstandes werden verschiedenste Methoden verwendet. So kann die Messung beispielsweise automatisch ausgelöst werden, wenn der richtige Arbeitsabstand erreicht ist. Dies kann zum einen durch eine Korrektur des fehlerhaften Abstandes vor einer jeden Messung erfolgen, indem mit Hilfe von Lichtschranken, Kontakten oder zusätzlichen Messsystemen der Abstand bzw. die Position bestimmt und gegebenenfalls korrigiert wird.

Andere, aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen basieren hingegen auf einer entfernungsunabhängigen Messung und einer telezentrischen Detektion zur Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges.

In der DE 10 201 1 102 355 A1 wird ein System zur Topographie beschrieben, bei dem das Licht einer Lichtquelle mittels einer asphärischen Fläche kollimiert und über ein vollflächig beleuchtetes, gefresneltes Axicon auf das Auge gerichtet wird. Weiterhin enthält die Lösung eine Lichtquelle auf der optischen Achse, und Elemente zur Auskopplung der Messstrahlung. Bei dieser Lösung werden geringe Beleuchtungswinkel durch kleine Ablenkwinkel an brechenden Flächen erzeugt, wohingegen große Ablenkwinkel durch zusätzliche reflektierende Flächen realisiert werden müssen.

Nachteilig an dieser Lösung ist die Verwendung von reflektierenden Flächen im Material, da sich hier Oberflächenfehler wesentlich stärker auf die Kollimation des einfallenden Lichtes auswirken, als bei brechenden Flächen. Weiterhin verlaufen die Strahlen zwischen Lichtquelle und Kollimationsoptik divergent, so dass in diesem Bauraum geringere freie Durchmesser für andere Komponenten zur Verfügung stehen, als zwischen Kollimationsoptik und gefresneltem Axicon.

Neben der Beleuchtung für die Messung der Hornhautkrümmung ist eine Auskopplung der Rückreflexe von der Kornea auf ein bildgebendes System notwendig. Ist jedoch der Bauraum durch den Beleuchtungskegel blockiert, kann die Auskopplung erst weiter hinten bzw. seitlich erfolgen, was die Komplexität, Baugröße und Kosten des Gesamtgerätes erhöht.

Die im Bauraum vorhandenen geringeren freien Durchmesser führen auch dazu, dass eine modulare Verwendung der Lösung, beispielsweise in Verbindung mit einer biometrischen Messanordnung, durch mögliche Kollisionen der koaxialen Beleuchtung mit anderen Strahlengängen erschwert oder gar verhindert wird.

Weiterhin erweist es sich als nachteilig, dass die recht großen Ablenkwinkel geringe Fertigungstoleranzen, insbesondere bei den reflektierenden Facetten erfordern. Zudem ist eine gleichmäßige Ausleuchtung kaum zu erreichen.

Das in der DE 10 201 1 102 354 A1 beschriebene System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges basiert auf einer speziellen Placidoscheibe mit telezentrischer Bildauswertung. Die Placidoscheibe verfügt über halbierte, torusförmige Elemente mit halbkreisförmigem Querschnitt, die unterschiedliche Radien aufweisen und deren vordere, sphärische oder asphärische Oberflächen zur Kornea des Auges gerichtet sind. Die Beleuchtung der Placidoscheibe erfolgt über LEDs, die jeweils im Fokus der halbierten, torusförmigen Elemente angeordnet sind, um die Projektion der Ringe der Placidoscheibe in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich zu realisieren. Zwar wurde hier das Problem geringerer freier Durchmesser gelöst, indem die LEDs direkt an der Placidoscheibe angeordnet wurden, jedoch erweist sich die Fertigung und Justierung extrem aufwendig und schwierig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters für die Vermessung der Topo- grafie der Hornhaut eines Auges zu entwickeln, welches entfernungsunabhängige Messungen ermöglicht. Bei dem Beleuchtungssystem soll der Bereich um die optische Achse des Systems für weitere Systemkomponenten frei gehalten werden. Außerdem soll das Beleuchtungssystem aus Einzelkomponenten bestehen, deren Toleranzen und Fertigungsfehler sich im Gesamtsystem wenig auswirken, so dass sie einfach herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das Beleuchtungssystem für die Bestimmung der To- pografie der Kornea eines Auges, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit und einer Einheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters, dadurch gelöst, dass die Beleuchtungseinheit aus mehreren Beleuchtungsmodulen besteht und die Einheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters, welches ein räumlich verteiltes, kollimiertes Beleuchtungsmuster erzeugt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das Beleuchtungssystem dient der Erzeugung eines Beleuchtungsmusters, mit dem die Topografie der Kornea eines Auges bestimmt werden kann. Dabei ist das Beleuchtungssystem als kompaktes Modul konzipiert, so dass es problemlos mit anderen Messsystemen kombiniert werden kann, ohne mit deren Strahlengängen zu kollidieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen:

Figur 1 : den Strahlverlauf zur Abbildung einer Lichtquelle in das Auge,

Figur 2: den Strahlverlauf in einem Beleuchtungsmodul mit Asphäre,

Figur 3: den Strahlverlauf in einem Beleuchtungsmodul mit Fresnellinse,

Figur 4: den Strahlverlauf in einem Beleuchtungsmodul mit elliptischem

Reflektor,

Figur 5: ein Beleuchtungsmodul mit elliptischem Reflektor und

separatem, planem Linsenarray,

Figur 6: ein Beleuchtungsmodul mit elliptischem Reflektor und

separatem, konzentrischem Linsenarray,

Figur 7a: ein aus 6 Beleuchtungsmodulen bestehendes Beleuchtungssystem mit einem Linsenarray, dessen Einzel-Linsen auf der vom Auge abgewandten Seite angeordnet sind und

Figur 7b: eine Schnittdarstellung des Beleuchtungssystems aus Figur 7a.

Das vorgeschlagene Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges besteht aus einer Beleuchtungseinheit und einer Einheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters. Die Beleuchtungseinheit besteht dabei aus mehreren Beleuchtungsmodulen. Als Einheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters wird ein Linsenarray verwendet, welches ein räumlich verteiltes, kollimiertes Beleuchtungsmuster erzeugt.

Im Gegensatz zu den allgemein aus der Literatur bekannten Linsenarrays, die aus Sammellinsen mit positiver Brennweite bestehen, besteht das hier verwendete Linsenarray aus Zerstreuungslinsen mit negativer Brennweite.

Erfindungsgemäß besteht die Beleuchtungseinheit aus mindestens zwei, vorzugsweise vier und besonders bevorzugt sechs oder mehr Beleuchtungsmodulen, die eine vollflächige Beleuchtung der Einheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters gewährleiten. Dazu sind die Beleuchtungsmodule so angeordnet, dass das Beleuchtungslicht eines jeden Beleuchtungsmodules einen Teil der Einheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters ausleuchtet.

Jedes Beleuchtungsmodul verfügt neben einer Lichtquelle über mindestens ein reflektives oder refraktives optisches Element, um die Lichtquelle in das Auge abzubilden.

Im Folgenden werden unterschiedliche Varianten der erfinderischen Lösung anhand von grafischen Darstellungen näher erläutert.

Einer ersten Ausgestaltung entsprechend verfügt jedes Beleuchtungsmodul neben einer Lichtquelle über ein abbildendes optisches Element, um die Lichtquelle über das Linsenarray in das Auge abzubilden. Als abbildendes optisches Element können neben Asphären, auch Fresnel-Linsen oder Hohlspiegel zum Einsatz kommen. Hierzu zeigt Figur 1 den Strahlverlauf zur Abbildung einer Lichtquelle in das Auge ohne die Verwendung des erfindungsgemäßen Linsenarrays. Die LED 1 wird von der Asphäre 2 in das in der Ebene 4 befindliche Auge abgebildet. Mit 5 ist die optische Achse des Beleuchtungsmoduls bezeichnet. Die gestrichelte Linie 6 zeigt den resultierenden Strahlverlauf. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen kommen als Lichtquellen verstärkt LED's zum Einsatz. Das Licht geht punktförmig mit großem Divergenz-Winkel von der Lichtquelle aus, und sammelt sich in einem Bildpunkt am Auge, der den Symmetrie-Punkt aller Beleuchtungsmodule bildet.

Hierzu zeigt die Figur 2 den Strahlverlauf in einem Beleuchtungsmodul mit Asphäre.

Die LED 1 wird von der Asphäre 2 in das in der Ebene 4 befindliche Auge abgebildet. Mit 5 ist die optische Achse des Beleuchtungsmoduls bezeichnet. Die gestrichelte Linie 6 zeigt den Strahlverlauf ohne und die durchgezogene Linie 7 den Strahlverlauf mit Berücksichtigung des im Strahlengang angeordneten Lin- senarrays 3. Der Figur 1 ist zu entnehmen, dass sich die Strahlen 6 in der Ebene 4, in der sich das Auge befindet, in einem Punkt schneiden würden, wohingegen die Strahlen entlang der Linie 7 von einer Linse des Linsenarrays 3 abgelenkt wurden und kollimiert auf das Auge in Ebene 4 treffen. Die kollimier- ten Strahlenbündel von unterschiedlichen Linsen des Linsenarrays 3 unterscheiden sich dabei in Ihrem Einfallswinkel auf die Ebene 4. Statt einer einzelnen Asphäre können auch mehrere Linsen auf der optischen Achse 5 für diese Abbildung eingesetzt werden.

Einer zweiten Ausgestaltung entsprechend verfügt jedes Beleuchtungsmodul neben einer Lichtquelle über eine Fresnellinse, um die Lichtquelle über das Lin- senarray in das Auge abzubilden.

Figur 3 zeigt den Strahlverlauf in einem Beleuchtungsmodul mit Fresnellinse.

Die LED 1 wird von der Fresnellinse 8 in das in der Ebene 4 befindliche Auge abgebildet. Wiederum zeigen die gestrichelte Linie 6 den Strahlverlauf ohne und die durchgezogene Linie 7 den Strahlverlauf mit Berücksichtigung des im Strahlengang angeordneten Linsenarrays 3. Die Verwendung von Fresnellinsen wäre insbesondere dahingehend von Vorteil, dass sich das Gewicht des Gesamtaufbaus, bestehend aus einer Fresnel- linse und einem Linsen-Array, wesentlich verringert. Beide Komponenten können als plane, dünne Elemente ausgeführt sein, sind dadurch gut zu verbauen und können zudem als Spritzgussteil gefertigt werden.

Einer dritten Ausgestaltung entsprechend verfügt jedes Beleuchtungsmodul neben einer Lichtquelle über einen elliptischen Reflektor, um die Lichtquelle über das Linsenarray in das Auge abzubilden. Hierbei befinden sich die Lichtquelle im ersten und das Auge im zweiten Fokuspunkt des elliptischen Reflektors.

Hierzu zeigt die Figur 4 den Strahlverlauf in einem Beleuchtungsmodul mit elliptischem Reflektor.

Die LED 1 wird vom elliptischen Reflektor 9 über das Linsenarray 3 in das in der Ebene 4 befindliche Auge abgebildet. Auch hier zeigt die gestrichelte Linie 6 den Strahlverlauf ohne, die durchgezogene Linie 7 den Strahlverlauf mit Berücksichtigung des im Strahlengang angeordneten Linsenarrays 3.

Diese Variante hat zudem den Vorteil, dass die LED auf der dem Reflektor zugewandten Fläche des Linsenarrays angeordnet werden kann, wobei der Reflektor elliptisch, ashärisch, sphärisch oder ähnlich ausgebildet sein kann.

Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend kann jedes Beleuchtungsmodul über ein separates Linsenarray verfügen.

Die Figuren 5 und 6 zeigen Beleuchtungsmodule mit elliptischem Reflektor und separatem Linsenarray. Während das Beleuchtungsmodul der Figur 5 über ein planes Linsenarray verfügt, zeigt die Figur 6 ein Beleuchtungsmodul mit elliptischem Reflektor und konzentrischem Linsenarray.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung des in Figur 5 beschriebenen Beleuchtungsmoduls mit elliptischem Reflektor hat das Linsenarray identische Einzel-Linsen auf einem ebenen Träger, wobei deren Achsen parallel zueinander und senkrecht zum Substrat verlaufen. Damit ist ein derartiges Beleuchtungsmodul besonders einfach fertigbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Lösung nach Figur 6 sieht ebenfalls die Verwendung identischer Einzel-Linsen mit gleichen Brennweiten bzw. Außenradien vor. Allerdings wird hier ein sphärischer Träger verwendet. Die optischen Achsen aller Einzel-Linsen verlaufen senkrecht zum Träger und damit konzentrisch zum Auge.

Erfindungsgemäß sind die Einzellinsen des Linsenarrays in einem rechteckigen, einem radialsymmetrischen oder einem hexagonalen Raster auf einer planen oder einer sphärischen, zum Auge konzentrischen Fläche angeordnet und so ausgelegt, dass das zu erzeugende räumlich verteilte Beleuchtungsmuster durch Brechung des Beleuchtungslichtes erzeugt wird. Dabei entsteht pro Einzellinse ein kollimiertes Teilstrahlenbündel, das den Durchmesser des Mikro- Linsen-Arrays hat.

Durch die Vielzahl von Mikrolinsen entsteht nun eine Vielzahl von Teilstrahlen, die jeweils kollimiert verlaufen. Jeder Teilstrahl beleuchtet das Auge unter einem anderen Winkel, so dass das gewünschte Beleuchtungsmuster entsteht.

Im Falle des planen Linsenarrays, wie er in Figur 5 dargestellt ist, haben alle Einzellinsen die gleiche Brennweite und eine optische Achse, die senkrecht zur Planfläche liegt. Die Einzellinsen im Linsenarray haben damit gleiche Außenkontur und gleiche optische Eigenschaften, wie Brennweite, Krümmungsradius, Brechzahl und optische Achse, werden aber unter unterschiedlichen, im abbildenden Element erzeugten Winkeln beleuchtet. In der Gesamtanordnung entsteht dann eine Vielzahl von kollimierten Bündeln, die sich am Auge treffen.

Bei Einsatz eines konzentrischen Linsenarrays gemäß der Figur 6, sind die Einzellinsen des Linsenarrays so ausgerichtet, dass sich deren optische Achsen in einem gemeinsamen Mittelpunkt im Auge schneiden. Die Linsen im Linsenarray liegen damit zentralsymmetrisch um den gemeinsamen Schnittpunkt. Sie können sowohl bikonkav ausgebildet sein, oder wie dargestellt eine gemeinsame, konzentrische Grundfläche haben, und auf der Innen- oder Außenseite konkav ausgebildet sein.

Um den gemeinsamen Schnittpunkt aller Bündel im Auge zu erreichen, können in Kombination mit dem konzentrischen Linsenarrays auch andere abbildende Elemente eingesetzt werden, wie bereits in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.

Erfindungsgemäß weisen die Einzellinsen des Linsenarrays eine negative Brennweite auf, die betragsmäßig weniger als 15%, vorzugsweise weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 5% vom Abstand zum Auge abweicht.

Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend können die Einzellinsen auf der dem Auge abgewandten Seite des Linsenarrays angeordnet sein, wobei die Grundform des Arrays konzentrisch um die optische Achse liegt.

Wie bereits erwähnt, kann das Linsenarray eine sphärische oder auch plane Grundform aufweisen, die konzentrisch zum Auge und der optischen Achse des Beleuchtungssystems liegt. Weiterhin kann das Linsenarray auch aus mehreren planen Teilflächen zusammen gesetzt sein. Von besonderem Vorteil ist es, dass das Linsenarray als Spritzgussteil fertigbar ist. Eine plane Grundform zeichnet sich lediglich durch ihre einfache Fertigbar- keit aus.

Hierzu zeigt die Figur 7a ein Beleuchtungssystem mit 6 Beleuchtungs-Modulen, wie es vom Auge aus sichtbar ist. Das Linsen-Array 3 liegt auf einer konzentrischen Fläche zum Auge. Hinter dem, hier als Asphären 2 ausgeführten Linsenarray sind die 6 Beleuchtungsmodule angeordnet.

Figur 7b zeigt den Schnitt durch das Beleuchtungssystem aus Figur 7a. Das Linsenarray 3, dessen Einzel-Linsen (wie bereits in Figur 5 dargestellt) auf der vom Auge abgewandten Seite angeordnet sind, ist zum Auge konzentrisch angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Frontfläche des Beleuchtungssystems eine glatte und gut zu reinigende Fläche ist. Auf eine zusätzliche Abdeckscheibe kann somit verzichtet werden. Das Linsenarray 3 verfügt über eine auf der Symmetrieachse des Beleuchtungssystems 11 befindliche, zentrale Öffnung 10 für andere Strahlengänge, wie ein telezentrischen Detektionsstrahlen- gang und/oder den Strahlengang für andere Aufgaben wie eine OCT- oder Netzhaut-Abtastung. Um diese Symmetrieachse 1 1 sind mehrere Beleuchtungsmodule mit den optischen Achsen 5 angeordnet.

Für eine mögliche Ausgestaltung der Lösung nach Figur 7b basiert das Beleuchtungsmodul auf einem Linsenarray 3 mit 472 Mikro-Linsen mit trapezförmiger Außenkontur und einer Fläche von ca. 5x5mm. Das verwendete Linsenarray, welches aus Kunststoff oder auch Glas bestehen kann, hat beispielsweise einen zum Auge zugewandten Radius von 80mm. Der konkave Radius der Mikrolinsen beträgt dann ebenfalls ca. 80mm, so dass eine Brennweite der Mikrolinsen von -80mm resultiert. Der zum Auge zugewandte Radius ist vorteilhaft größer als 40mm, besonders vorteilhaft jedoch 80 bis 150mm. Das Modul in Figur 7b beleuchtet am Auge einen vollen Winkel von ca. 90° +- 15%, es kann aber auch ein kleinerer voller Winkel von 30 bis 70Grad gewählt werden. Weiterhin kann das Linsenarray auch auf mehreren planen Teil-Flächen angeordnet sein, die jeweils senkrecht zu den optischen Achsen 5 liegen.

Durch die Aufteilung der Beleuchtungseinheit in mehrere Beleuchtungsmodule bleibt der zentrale Bereich um die optische Achse des Beleuchtungssystems für andere Strahlengänge frei und führt weiterhin dazu, dass die Einfallswinkel auf das Linsenarray klein bleiben.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges zur Verfügung gestellt, mit dem entfernungsunabhängige Messungen möglich sind. Da der Bereich um die optische Achse des Systems frei gehalten wird, ist eine telezentrische, axialsymmetrische Detektion möglich. Weiterhin sichern die kollimiert auf das Auge fallenden Teilbündel eine entfernungsunabhängige Beleuchtung.

Durch die Verwendung einer Anzahl identischer Beleuchtungsmodule kann zudem eine gleichmäßige Helligkeit des Beleuchtungsmusters gewährleistet werden.

Die Aufteilung der Beleuchtungseinheit führt weiterhin dazu, dass die Brennweiten der Beleuchtungsmodule verringert werden können, so dass die Bautiefe verringert werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem für die Bestimmung der Topografie der Kornea eines Auges sind weiterhin folgende Vorteile verbunden:

• Freihalten von Bauraum für die telezentrische Abbildung des an der Kornea reflektierten Lichtes und weitere System komponenten auf der optischen Achse. Reduzierung der Fertigungskosten durch ausschließliche Nutzung refrak- tiver Flächen in den Arrays.

Optimierung der Fertigung durch Verringerung von Dickenunterschieden infolge geringerer Abmessungen.

Beleuchtungsmodule weisen einen reduzierter Lichtleitwert auf. Die Toleranz-Sensitivität kann reduziert werden.

Verzicht auf optische Elemente zur Trennung oder Überlagerung von Be- leuchtungs- und Messstrahlengängen.

Technologie mit geringerer Grund-Genauigkeit nutzbar, wie beispielsweise: Heißprägen, Spritzgießen, Abformen oder ähnliche.