DE19624167B4

DE19624167B4 - Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit dynamischem kohärentem Fokus

Info

Publication number: DE19624167B4
Application number: DE19624167A
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Prof. Dr. Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: JP3756993B2; ATA107495A; US5847827A; CH691624A5; JPH09133509A; DE19624167A1

Abstract

Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung zur Messung der Lage lichtremittierender Stellen entlang einer Messstrecke an der Oberfläche und im Innern von Objekten mittels eines Messlichtstrahls eines Kurzkohärenz-Interferometers, bei dem zur Erzielung von Interferenz ein Weglängenabgleich zwischen Messarm und Referenzarm auf gleiche optische Länge erfolgt und die Positionen der lichtremittierenden Stellen im Objekt entlang der Messstrecke aus der für diese Positionen zum Weglängenabgleich erforderlichen Längenänderung von Messlichtstrahl und/oder Referenzstrahl bestimmt werden, wobei der Messlichtstrahl in oder auf das Messobjekt fokussiert und der so erzeugte Messfokus entlang der Messstrecke so bewegt wird, dass er bei der Abtastbewegung entlang der Messstrecke kohärent zum Referenzlicht bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messfokus (13) und der zur Gewährleistung seiner Kohärenz zum Referenzlicht (2') erforderliche Weglängenabgleich durch die Bewegung eines einzigen optischen Bauteils (24; 38 mit 39; 40; 44 mit 45; 55 und 106) bewerkstelligt werden.

Description

In der optischen Kohärenz-Distanzmessung [Hitzenberger, C. K.: Optical Measurement of the Axial Eye Length by Laser Doppler Interferometry. In: Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 32 (1991), Nr. 3, S. 616-624] und in der optischen Kohärenztomographie [Huang, D.; Swanson, E. A.; Lin, C. P.; Schuman, J. S.; Stinson, W. G.; Chang, W.; Hee, M. R.; Flotte, T.; Gregory, K.; Puliafito, C. A.; Fujimoto, J. G.: Optical coherence tomography. In: Science 254 (1991), S. 1178-1181] wird Interferometrie mit Licht kurzer Kohärenzlänge dazu benutzt, die Lage lichtremittierender Stellen im Innern von Messobjekten oder abzubildenden Objekten zu lokalisieren.

Beide Verfahren beruhen auf interferometrischen Messmethoden, die man genauer auch als Kurzkohärenz-Interferometrie bezeichnen kann. Kurzkohärenz-Interferometrie bedeutet hier grundsätzlich, dass Licht kurzer Kohärenzlänge verwendet wird und die zu messende Länge im Messstrahl dadurch bestimmt wird, dass die Länge im Referenzstrahl so lange verändert wird, bis Interferenzen auftreten, was nur bei Gleichheit der Länge der beiden Strahlengänge innerhalb der Kohärenzlänge des benutzten Lichts der Fall ist. Die bekannte Länge des Referenzstrahls ist dann gleich der gesuchten Länge im Messstrahl. Bei dieser Kurzkohärenz-Interferometrie befindet sich das Messobjekt nun entweder in dem Messarm eines Zweistrahl-Interferometers und die Objektlängen werden durch Anpassung der optischen Länge des Referenzarms des Interferometers an die Distanzen im Messarm bestimmt [Swanson, E.A.; Huang, D.; Hee, M. R.; Fujimoto, J. G.; Lin, C. P.; Puliafito, C. A.: High-speed optical coherence domain reflectometry. In: Opt. Lett. 17 (1992), S. 151-153] oder es wird das Messobjekt mit einem Doppelstrahl ["Dual beam"; siehe die Publikation Fercher, A. F.; Li, H. C.; Hitzenberger, C. K.: Slit Lamp Laser Doppler Interferometer. In: Lasers Surg. Med. 13 (1993), S. 447-452] beleuchtet, der aus einem Zweistrahl-Interferometer austritt und die Objektlängen werden durch Anpassung der Wegdifferenzen in dem besagten Zweistrahl-Interferometer an die optischen Distanzen im Messobjekt bestimmt.

Bei diesen Methoden wird mittels der Kurzkohärenz-Interferometrie in longitudinaler Richtung, also in Richtung des beleuchtenden Lichtstrahls, eine sehr hohe optische Auflösung (= kleinster Abstand zweier noch getrennt erfassbarer Punkte), etwa von der Größe der Kohärenzlänge I_C = λ/Δλ (λ = Wellenlänge, Δλ = Bandbreite des verwendeten Lichts), d. h. von der Größe einiger μm, erreicht. Transversal zur Beleuchtungsrichtung wird hingegen nur in Ausnahmefällen eine ähnlich gute optische Auflösung erreicht; insbesondere ist die transversale optische Auflösung nicht über die gesamte Objekttiefe gleich gut. Eine über die gesamte Objekttiefe hohe und gleich gute Auflösung wird nun entsprechend der Erfindung durch die Verwendung eines so genannten dynamischen kohärenten Fokus erreicht. Unter einem dynamischen kohärenten Fokus wird hier der Fokus eines Lichtbündels verstanden, welcher auch bei räumlicher Verschiebung immer kohärent zum Referenzlicht bleibt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird weiter unten anhand der Abbildungen näher erläutert.

Fokussierte Lichtbündel werden schon länger zur präzisen Lagebestimmung und Objektpositionierung benutzt. Hierbei handelt es sich jedoch immer um die Feststellung der Lage von Objektoberflächen und nicht um die Bestimmung der Tiefenstruktur der Objekte. So wird etwa in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 2 333 281 (Offenlegungstag 17.1.1974) ein Verfahren zur Justierung des Brennpunkts eines optischen Systems auf interterometrischer Basis (jedoch keine Kurzkohärenz- Interferometrie) beschrieben. Hierbei wird der Messstrahl auf die Objektoberfläche fokussiert und das reflektierte Licht wird mit einem Referenzlichtstrahl zur Interferenz gebracht. Die Form der Interferenzstreifen bildet dann ein Kriterium dafür, ob sich die Objektoberfläche in dem Fokus befindet oder nicht. Dieses Verfahren ist daher nur zur Feststellung der Lage einzelner Objektoberflächen geeignet und stellt daher keine direkte Alternative zu dem erfindungsgemäßen Verfahren dar. Außerdem treten bei vorliegender Tiefenstruktur statistische Interferenzerscheinungen, so genannte Speckle, auf, die sich einer Interpretation weitgehend entziehen. Ein weiteres Verfahren zur Positionsbestimmung von Objektoberflächen wird in dem US-Patent US 4 589 773 (Patentdatum 20.5.1986) beschrieben. Hier wird die Objektoberfläche, wie bei dem bekannten optischen Lichtschnittmikroskop, von einem Messlichtbündel schräg beleuchtet. Eine longitudinale Verschiebung des Objekts hat dadurch eine transversale Verschiebung des Lichtflecks auf der Objektoberfläche zur Folge. Dieser Lichtfleck wird auf einen besonderen Photodetektor abgebildet, der die Ablage des Lichtflecks von der Sollposition in ein elektrisches Signal umwandelt und so die Position des Objekts feststellen lässt. Auch dieses Verfahren eignet sich nur zur Feststellung der Lage einzelner Oberflächen, nicht jedoch zur Registrierung der Tiefenstruktur eines Objekts. Es arbeitet nicht interferometrisch, hat daher auch keine interferometrische Empfindlichkeit und kann daher nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen werden.

Die in der WO 93/20743 A1 beschriebene Lösung zur Messung intraokularer Abständen basiert auf dem optischen Kohärenzgebiet der Reflektometrie. Bei der optischen Kohärenz-Reflektometrie wird in der Regel eine Lichtquelle mit einer extrem kurze Kohärenzlänge und ein Interferometer verwendet, um die durch die verschiedenen materiellen Schichten verursachten Änderungen des Phasenwinkels des Lichtes zu messen. Mit der optischen Kohärenz-Reflektometrie können beispielsweise die Korneadicke, die Vorderkammertiefe, die Augenlinsendicke, die axiale Länge und Netzhautstärke von Augen zuverlässig bestimmt werden. Dabei ist die Intensität der messenden Lichtstrahlung mit einer Phasenverschiebung in Bezug auf die Ausgangsstrahlung von der Länge des optischen Weges im Auge abhängig.

Eine Anordnung zur Erfassung und Vermessung des Abstandes von Schichten und Strukturen wird in der DE 43 26 144 C1 beschrieben. Durch die hier vorgeschlagene mehrfache Bestimmung der Abstände zwischen verschiedenen Grenzflächen oder Strukturen im Auge mit mehreren Teilstrahlengängen wird eine deutliche Verkürzung der Messzeit erreicht. Die zueinander parallelen Teilstrahlengänge werden dabei auf unterschiedliche Bereiche des zu vermessenden Auges gerichtet. Die Auswertung der gewonnenen Intensitätsverläufe er folgt dabei automatisch über den Messkanälen zugeordnete fotoelektrische Empfänger, die mit ihrer Auswerteeinheit verbunden sind.

Weitere Verfahren zur Feststellung der Lage einzelner Objektoberflächen sind im Zusammenhang mit dem Fokussierungsproblem bei den CD-Platten bekannt geworden. Etwa die US-Patente US 4 631 395 (Patentdatum 23.12.1986) und US 4 866 262 (Patentdatum 12.9.1989). Auch diese Verfahren eignen sich nur zur Feststellung der Lage einzelner Oberflächen, nicht jedoch zur Registrierung der Tiefenstruktur eines Objekts; sie arbeiten nicht interferometrisch und können daher nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen werden.

Hingegen wird das Problem des bei der Kohärenz-Biometrie und -Tomographie in der internationalen PCT-Anmeldung WO 92/19930 "Method and apparatus for optical imaging and measurement" (Prioritätsdatum: 29. April 1991; Erfinder: Huang, D.; Fujimoto, J. G.; Puliafito, C. A.; Lin, C. P.; Schuman, J. S.) angesprochen. In dieser Patentschrift wird das angesprochene Problem einer über die gesamte Objekttiefe hohen und gleich guten Auflösung dadurch erreicht, dass gleichzeitig mit der Bewegung des Messfokus der Umlenkspiegel im Referenzstrahlengang synchron bewegt wird. Dieses Verfahren wird weiter unten im Zusammenhang mit der 5 noch näher erläutert. Eine synchrone Bewegung des Messfokus und des Umlenkspiegels im Referenzstrahl lässt sich zwar technisch bewerkstelligen, bedeutet jedoch einen erheblichen zusätzlichen mechanischen und elektronischen Aufwand. Außerdem wird im Allgemeinen die geometrische Verschiebung des Messfokus nicht der Änderung der optischen Länge im Referenzstrahl entsprechen, weil im Messstrahlengang und im Referenzstrahlengang unterschiedliche Brechungsindizes vorliegen.

Die vorliegende Erfindung löst beide Probleme mit Hilfe des kohärenten dynamischen Fokus, bei dem die Fokusverschiebung und der Abgleich der optischen Längen zwischen Messstrahl und Referenzstrahl durch die Verschiebung eines einzigen optischen Elements erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der folgenden Abbildungen erläutert:
1: Optische Kohärenz-Distanzmessung auf Basis eines Interferometers mit einem Kösters-Doppelprisma (im Text auch kurz "Kösters-Interferometer" genannt).
2: Photodetektor-Signal U entlang der z-Position des Referenzspiegels bei der optischen Kohärenz-Distanzmessung entsprechend dem A-Bild in der medizinischen Ultraschall-Technik.
3: Beispiel eines Interferometers für die Kohärenztomographie.
4: Optische Kohärenz-Distanzmessung auf der Basis eines Interferometers mit einem Kösters-Doppelprisma bei Fokussierung des Objektlichtstrahls.
5: Optische Kohärenz-Distanzmessung auf der Basis eines Interferometers mit einem Kösters-Doppelprisma bei gegenüber 4 um eine Strecke Δz verschobenem Referenzspiegel und um dieselbe Distanz Δz verschobener Fokussieroptik.
6: Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Messung intraokulärer Distanzen mittels der Kurzkohärenz-Interferometie auf Basis eines Michelson-Interferometers.
7: Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Messung intraokulärer Distanzen mittels der Kurzkohärenz-Interferometie auf Basis eines Mach-Zehnder-Strahlengangs.
8a: Technische Lösung zur Herstellung eines periodisch bewegten Fokus.
8b: Technische Lösung zur Herstellung eines kontinuierlich bewegten Fokus.
9: Alternative zur Herstellung eines bewegten Fokus.
10a: Bewegter, virtueller Fokus als weitere Alternative zur Herstellung eines bewegten Fokus.
10b: Bewegter, virtueller Fokus, erzeugt mit Hilfe einer bewegten Zerstreuungslinse und einem mitbewegten Planspiegel, als weitere Alternative zur Herstellung eines bewegten Fokus.
11: Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Messung intraokulärer Distanzen mittels des "Dual-Beam"-Verfahrens.
12: Illustration zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der optischen Tomographie an einem Beispiel aus der Ophthalmologie.
13: Illustration zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der optischen Tomographie auf Basis eines faseroptischen Interferometers.

1: Lichtquelle
2: Lichtstrahl kurzer Kohärenzlänge
2': Referenzstrahl kurzer Kohärenzlänge
2'': Lichtstrahl kurzer Kohärenzlänge im Messarm des Interferometers; das Objekt beleuchtender Messlichtstrahl
3: Kösters-Doppelprisma-Interferometer
4: Strahlteilerfläche
5: Außenfläche des Kösters-Prismas
6: Endspiegel des Referenzstrahlengangs
7: Außenfläche des Kösters-Prismas
8: Messobjekt
8', 8'': lichtremittierende Strukturen des Messobjekts
9: Referenzlichtstrahl
10: vom Objekt remittierter Messstrahl
11: Photodetektor
12: Optik, die das Messlicht auf das Messobjekt fokussiert
13: Messfokus
14: Umlenkspiegel, rotierender oder schwingender Scanningspiegel
15: unterschiedliche Richtungen des Messstrahls 10
15', 15'': unterschiedliche Richtungen des Messstrahls 10
16: tomographische Abbildung
17: starre Verbindung zwischen Referenzspiegel 6 und Fokussieroptik 12
20: Strahlteiler
21: Linsenoptik
22: Fokus, Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 24
23: Strahlteiler
24: Messlichtspiegel (Hohlspiegel)
24', 24'': Messlichtspiegel (Hohlspiegel)
25: Fokus, Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 24
25': Bild des Fokus 25
26: Strahlteiler
27, 27': Linsenoptiken
28: Messobjekt (Auge)
28': Hornhaut
28'': Augenlinse
30: Augenfundus
32: Strahlenfokus
33: Lochblende
34: Dachkantprisma
35: Strahlteiler
36: Photodetektor
37: Linsenoptik
38: Sammellinse
39: Planspiegel
40: Konvexspiegel
41: Optik
42: virtueller Strahlenfokus, Krümmungsmittelpunkt des Konvexspiegels 40 und Fokus der Optik 41
43: Optik
44: Zerstreuungslinse
45: Planspiegel
46: gemeinsamer Fokus der Optik 41 und der Zerstreuungslinse 44
50: Optik
51: Strahlenfokus, Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 55
52: Strahlteiler
53: Fokus des Referenzlichtbündels 2 min
54: konkaver Referenzspiegel
55: Messlichtspiegel (Hohlspiegel)
56': Strahlenfokus, Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 55
57: Strahlteiler
58: Optik
59: Vorderfläche der Hornhaut
60: Lochblende
61: Optik
62: Photodetektor
63: Strahlenfokus
70: Umlenkspiegel
71: Strahlteiler
72: Strahlenfokus
73: Linsenoptik
74: Linsenoptik
75: tomographischer Scanningspiegel
76: Fokus
77: Fokus
78: Optik
79: Lochblende
80: elastischer Bügel
81: stabile Unterlage
82: Tauchkern
83: Magnetspule
84: Stromquelle
85: rotierende Scheibe
86: Scheibenachse
90: Photodetektor
91: Dachkantprisma
92: Umlenkspiegel
93: Optik
94: Optik
95: Strahlteiler
99: faseroptisches Interferometer
100: fokussierte Optik
101: Eingang des faseroptischen Interferometers
102: Optik
103: Referenzspiegel
104: Optik
105: Strahlteiler
106: bewegter Messlichtspiegel
107: bewegter Fokus
108: Optik
109: tomographischer Scanningspiegel
110: Fokus
111: Optik
112: Ausgang des faseroptischen Interferometers
113: Optik
114: Photodetektor
115: faseroptischer Koppler

In der 1 ist ein Interferometer mit einem Kösters-Doppelprisma dargestellt und wird hier wegen der Übersichtlichkeit seines Strahlengangs zur Erläuterung der dieser Patentanmeldung zugrunde liegenden Problematik benutzt.
In dem Strahlengang der 1 emittiert eine Lichtquelle 1 einen Lichtstrahl 2 von kurzer Kohärenzlänge (angedeutet durch kurze Wellenzüge) jedoch mit perfekter räumlicher Kohärenz. Beispiele für solche Lichtquellen sind Multimoden- Halbleiterlaser, Superlumineszenzdioden oder durchstimmbare Halbleiterlaser. Der Lichtstrahl 2 trifft auf ein Interferometer mit einem Kösters-Doppelprisma 3 mit einer Strahlteilerfläche 4. Das Kösters-Doppelprisma besteht aus zwei mit ihren längeren Katheten zusammengekitteten rechtwinkligen Prismen. Der die Strahlteilerfläche 4 durchdringende Anteil 2' des Lichtstrahls 2 trifft als Referenzstrahl auf die Außenfläche 5 des Kösters-Doppelprismas und wird zum Referenzspiegel 6 des Interferometers reflektiert. Der an der Strahlteilerfläche 4 reflektierte Anteil des Lichtstrahls 2 wird von der Außenfläche 7 des Kösters-Doppelprismas als Messstrahl 2'' auf das Messobjekt 8 mit den lichtremittierenden Strukturen 8', 8'' und 8''' gerichtet.
Der auf den Referenzspiegel 6 treffende Lichtstrahl wird von diesem reflektiert und trifft als Referenzstrahl 9 über die Außenfläche 5 des Kösters-Interferometers auf die Strahlteilerfläche 4 und wird von dieser auf den Photodetektor 11 am Interferometerausgang reflektiert. Analog werden die an Objektstrukturen 8', 8'' und 8''' reflektierten Messstrahlen 10 über die Außenfläche 7 und durch die Strahlteilerfläche 4 hindurch ebenfalls auf den Photodetektor 11 am Interferometerausgang gerichtet und interferieren dort mit dem Referenzstrahl 9.
Vor der weiteren Erläuterung der Erfindung sei zunächst auf ein Grundprinzip aller Interferometer hingewiesen: Bei interferometrischen Strahlengängen wird das von einer Lichtquelle emittierte Licht zunächst durch Strahlteilung, beispielsweise durch einen halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteilerfläche 4 in der 1), in Referenzstrahl (2' in 1) und Messstrahl (2'' in 1) geteilt. Nach Durchlaufen unterschiedlicher Wege erfolgt eine Zusammenführung des vom Messobjekt zurücklaufenden Messstrahls 10 und des vom Referenzspiegel zurückkommenden Referenzstrahls 9, beispielsweise mittels eines halbdurchlässigen Spiegels (in der 1 wiederum die Strahlteilerfläche 4), und die beiden Strahlen interferieren. Aus dem Interferenzzustand kann man dann auf Unterschiede in der optischen Länge der beiden Teilstrahlen schließen.
Die hier benutzte Kurzkohärenz-Interferometrie arbeitet anders: Die Position des Referenzspiegels 6 in der 1 definiert eindeutig die Länge des Referenzstrahlengangs (in der 1 von 4 nach 6 und zurück nach 4). Nun wird bei der Kurzkohärenz-Interferometrie Licht kurzer Kohärenzlänge benutzt. Interferenzen treten jedoch nur auf, wenn die Interferenzbedingung erfüllt ist, d. h. wenn die optische Länge (= geometrische Länge mal dem Brechungsindex entlang des Weges) des Referenzstrahlengangs innerhalb einer Toleranz von der Größe der Kohärenzlänge 1c des benutzten Lichts gleich ist der optischen Länge des Messstrahlengangs (in der 1 von 4 zur aktuellen interferometrischen Messposition 8''' und zurück nach 4). Die Länge des Referenzstrahlengangs definiert also, welche Stelle im Objekt interferometrisch gemessen wird, also die aktuelle interferometrische Messposition: Die aktuelle interferometrische Messposition ist jene Position im Messstrahlengang, für die die optische Länge im Messstrahlengang von der Strahlteilung bis zur Strahlzusammenführung gleich ist der optischen Länge des Referenzstrahlengangs von der Strahlteilung bis zur Strahlzusammenführung. Aus der leicht messbaren Länge des Referenzstrahlengangs erhält man somit die gesuchte Länge im Messstrahlengang. Dies sei an dem Interferometer der 1 zunächst noch näher erläutert:
Um die gesamte Tiefe des Messobjekts 8 in z-Richtung zu erfassen, muss der Referenzspiegel 6 eine entsprechende Strecke in Richtung des Referenzstrahls 2' verschoben werden. Die am Interferometerausgang auftretenden Interferenzen sind dabei einerseits ein Kriterium für die Position der aktuellen Messposition bzw. der lichtremittierenden Stelle im Objekt (sie befindet sich im selben Ab stand von der Teilerfläche 4 wie der Referenzspiegel) und andererseits auch ein Maß für die Stärke der Lichtremission aus der jeweils aktuellen Messposition. D. h. die Position des Referenzspiegels gibt die z-Position dieser aktuellen Messposition im Objektinnern an, die Stärke des Messsignals U ist ein Maß für die Stärke der Lichtremission in der Messstelle. Das Messverfahren der Kurzkohärenz-Interferometrie besteht also kurz gesagt darin, die Positionen der betreffenden lichtremittierenden Stellen im Objektinneren – in der 1 beispielsweise die Stelle 8'''' – aus der Position des Referenzspiegels – in der 1 beispielsweise die Position 6 – zu bestimmen.
Der Referenzspiegel 6 wird beispielsweise mittels eines Schrittmotor-gesteuerten Tisches oder elektrodynamisch oder – bei kürzeren Messstrecken – piezoelektrisch verschoben. Er kann auch eine schwingende oder eine andere Bewegung ausführen. Wo immer die Länge des Referenzlichtstrahls gleich der Länge des Messlichtstrahls zu einer lichtremittierenden Stelle im Objekt hin ist, werden am Interferometerausgang Interferenzen beobachtet und der Photodetektor 11 liefert ein elektrisches Wechselsignal U. Registriert man nun die Positionen z des Referenzspiegels 6, wo der Photodetektor 11 ein Wechselsignal liefert, beispielsweise anhand der Positionen des Schrittmotor-gesteuerten Tischs, und die zugehörigen Photodetektor-Signale U, erhält man die z-Positionen der zugehörigen lichtremittierenden Stellen entlang dem Messstrahl 10 im Objekt, wie in der 2 angedeutet. Eine solche Messung wird im Folgenden als "A-Scan" oder "lineare Abtastung" bezeichnet. Das Ergebnis ent spricht dem "A-Bild" der medizinischen Ultraschall-Technik. Dies ist das Grundprinzip der Kohärenz-Distanzmessung.
Bei der Kohärenz-Tomographie werden eine ganze Reihe solcher interferometrischer Distanzmessung an (beispielsweise in x-Richtung) benachbarten Stellen durchgeführt und zu einem Bild zusammengefügt. Verschiebt man den das Objekt beleuchtenden Lichtstrahl 2'' (siehe 1) nach jedem A-Scan gegenüber dem Objekt beispielsweise in x-Richtung, erhält man Zeile für Zeile mit jeweils anderer x-Position die Objektstruktur in z-Richtung und kann diese Zeilen zu einem Schnittbild (Tomogramm) zusammensetzen. Die Stärke der auftretenden Interferenzerscheinung ist ein Maß für die Stärke der Lichtremission in der Messstelle. Man erhält so eine dem "B-bild" der medizinischen Ultraschall-Technik entsprechende Abbildung. Dies ist das Grundprinzip der optischen Kohärenztomographie.
Eine Verschiebung des das Objekt beleuchtenden Lichtstrahls 2'' kann beispielsweise auch durch einen rotierenden oder schwingenden Umlenkspiegel 14 erfolgen, wie in der 3 dargestellt. Je nach Orientierung des Umlenkspiegels 14 erfolgt die Messung am Objekt 8 in verschiedene Richtungen 15, 15' und 15'' bzw. an entsprechende x-Positionen. Die unterschiedliche Stärke der am Interferometerausgang auftretenden Photodetektorsignale kann – beispielsweise nach elektronischer Bandpassfilterung – zum zeilenweisen Aufbau einer tomographischen 16 benutzt werden.
Die optische Auflösung in Longitudinalrichtung (= z-Richtung) der interferometrischen Messstrecke ist, wie erwähnt, etwa von der Größenordnung der Kohärenzlänge I_c des Lichtbündels 2. I_C kann bei modernen Superlumineszenz-Dioden sehr klein, beispielsweise 10 μm, werden. Entsprechend gut ist die Longitudinal-Auflösung der Kohärenz-Distanzmessung und der Kohärenz-Tomographie. Allerdings wird hierbei in der zur z-Richtung orthogonalen (Transversal-)Ebene über die Breite des Lichtbündels gemittelt, siehe 4. Jedenfalls können innerhalb der Breite des Messstrahls 2'' keine Details unterschieden werden. Zur Behebung dieses Problems kann man den auf das Messobjekt gerichteten Messstrahl 2'' mit Hilfe einer Linsenoptik 12 fokussieren, wie in der 4 angedeutet. Offensichtlich erhält man nun im Messfokus 13 maximale Transversalauflösung; mit zunehmendem z-Abstand vom Messfokus 13 wird diese jedoch wieder schlechter. Nur dort, wo die aktuelle interferometrische Messposition im Messfokus 13 liegt, d. h. nur wo die optische Länge des Referenzstrahlengangs gleich ist der optischen Länge des Messstrahlengangs von der Strahlteilung zum Messfokus 13 und weiter zur Strahlzusammenführung, hat man optimale Transversalauflösung. Außerhalb dieser Stelle wird die Transversalauflösung entlang der interterometrischen Messstrecke erheblich schlechter sein.
Dieses Problem wird in der oben zitierten PCT-Anmeldung WO 92/19930 "Method and apparatus for optical imaging and measurement" so gelöst, dass gleichzeitig mit der Bewegung des Messfokus der Umlenkspiegel im Referenzstrahlengang synchron bewegt wird. Dieses Verfahren ist in der 5 durch eine starre Verbindung 17 angedeutet, die eine synchrone Bewegung in z-Richtung (durch den Doppelpfeil angedeutet) von Referenzspiegel 6 und Fokussieroptik 12 gewährleistet. Dies entspricht dem Verfahren, wie es in der Patentschrift WO 92/19930 beschrieben ist.
Eine synchrone Bewegung des Messfokus und des Umlenkspiegels im Referenzstrahl lässt sich zwar technisch bewerkstelligen, bedeutet jedoch erstens einen zusätzlichen mechanischen und elektronischen Aufwand. Außerdem wird zweitens im Allgemeinen die geometrische Verschiebung des Messfokus nicht der Änderung der optischen Länge im Referenzstrahl entsprechen, weil im Messstrahlengang und im Referenzstrahlengang unterschiedliche Brechungsindizes vorliegen. Dieses Verfahren entspricht dem jetzigen Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung löst beide Probleme mit Hilfe des kohärenten dynamischen Fokus, bei dem die Fokusverschiebung und der Abgleich der optischen Längen zwischen Messstrahl und Referenzstrahl durch die Verschiebung eines einzigen optischen Elements gleichzeitig erfolgen.
Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, mit Hilfe eines einzigen zu bewegenden optischen Elements einerseits einen entlang der interferometrischen Messstrecke bewegten Fokus zu realisieren und andererseits gleichzeitig die optischen Längen von Referenzstrahlengang und Messstrahlengang bis hin zu diesem Fokus gleich groß zu halten.
Die Erfindung erreicht über die ganze interferometrische Messstrecke hinweg gleich gute und hohe optische Transversalauflösung dadurch, dass durch geeignete optische Abbildung des von dem bewegten optischen Element erzeugten (dynamischen) Fokus in das Objekt gleichzeitig der Abgleich der optischen Längen von Referenzstrahlengang und Messstrahlengang bis hin zum (dadurch kohärenten) Messfokus gewährleistet wird. Die Kohärenz des Messfokus zum Referenzlicht erreicht man für alle hier infrage kommenden Interferometeranordnungen dadurch, dass man die optische Länge des Objektlichtstrahlengangs für die Position des Messfokus gleich groß zur optischen Länge des Referenzlichtstrahlengangs macht und dies für alle Verschiebungen und Positionen des Messfokus sicherstellt (Interferenzbedingung). Dann ist nur das aus dem Messfokus remittierte Licht mit dem Referenzlicht interferenzfähig und nur dieses wird zur interferometrischen Messung benutzt. Man kann dann von einem "kohärenten Messfokus" sprechen. Wie anhand der folgenden Anordnungsbeispiele gezeigt wird, sind zur Realisierung dieses Prinzips spezielle Abbildungsmaßstäbe einzuhalten.
Die folgenden Anordnungsbeispiele zeigen, wie dies bei praktisch wichtigen Interferometer-Strahlengängen der Kohärenz-Distanzmessung und Kohärenz-Tomographie erreicht werden kann.
In der 6 ist ein erstes Beispiel einer Anordnung zur Kohärenz-Distanzmessung in der Ophthalmologie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben. Hierbei geht es beispielsweise um die Messung von Distanzen zwi schen lichtremittierenden Schichten im Augenfundus 30, der hier das Messobjekt im engeren Sinne darstellt. Cornea 28' und Augenlinse 28'' erfüllen hier die Aufgabe der fokussierenden Optik 12. Anstelle des Augenfundus kann auch ein anderes Objekt 8 vermessen werden; dann wird der Messstrahl mit Hilfe einer Optik 12 auf dieses fokussiert, wie in dem gestrichelten Kasten in der 6 rechts unten angedeutet.
In 6 emittiert die Lichtquelle 1 einen Lichtstrahl 2 mit kurzer Kohärenzlänge, der auf den Strahlteiler 20 trifft, wo an der Teilerfläche 4 die Strahlaufteilung in Referenzstrahl 2' und Messstrahl 2'' erfolgt. Der die Strahlteilerfläche 4 gerade durchsetzende Anteil des Lichtstrahls 2 läuft als Messstrahl 2'' über den Strahlteiler 23 und wird von der Optik 21 in den Fokus 22 fokussiert. Der Fokus 22 liegt im Krümmungsmittelpunkt des als Umlenkoptik fungierenden Hohlspiegels 24. Der an dem Hohlspiegel 24 reflektierte Messstrahl wird von der Optik 21 wiederum kollimiert und trifft auf das Messobjekt (Auge) 28. Die Optik des Auges 12 fokussiert dieses Lichtbündel in den Messfokus 13 auf dem Augenfundus 30. Wird anstelle des Augenfundus ein anderes Messobjekt 8 benutzt, wird der Messstrahl 2'' mit Hilfe einer anderen Optik 12 auf dieses fokussiert, wie in dem gestrichelten Kasten in der 7 angedeutet. Das vom Augenfundus remittierte Messstrahl 10 läuft zurück zum Hohlspiegel 24, wird dort wiederum reflektiert und wird von den Strahlteilern 23 und 20 zum Photodetektor 36 gerichtet. Dort interferiert der Messstrahl 10 mit dem vom Endspiegel 6 reflektierten Referenzstrahl 9.
Ferner kann man hier mit Hilfe einer Lochblende 33 Lichtanteile, die nicht aus dem kohärenten Messfokus 13 kommen, ausblenden und so das Signal zu Rausch-Verhältnis der Photodetektorsignale und Bildqualität der Kohärenz-Biometrie und -Tomographie verbessern.
Es sei noch erwähnt, dass man sich zur Reduzierung von Reflexionsverlusten an den Oberflächen der Bauteile und zur Optimierung der Strahlteiler der hier beschriebenen Interferometer des bekannten Stands der Polarisationsoptik bedienen wird. So wird man beispielsweise an der Stelle des Strahlteilers 23 einen Polarisationsstrahlteiler anordnen. Damit dieser Strahlteiler sinnvoll fungiert, muss zur Einstellung der Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichtbündels zwischen den Strahlteilern 20 und 23 eine drehbare λ/2-Platte angeordnet werden. Ferner muss zwischen dem Strahlteiler 23 und der Optik 21 eine λ/4-Platte angeordnet werden. Da dies jedoch zum bekannten Stand der Technik gehört, wird hier nicht näher auf die genaue Funktion dieser Elemente eingegangen.
In der 7 ist ein weiteres Beispiel einer Anordnung zur Kohärenz-Distanzmes-sung in der Ophthalmologie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Basis eines dem Mach-Zehnder-Interferometer ähnlichen Strahlengangs angegeben. Auch hier geht es um die Messung von Distanzen zwischen lichtremittierenden Schichten im Augenfundus 30, der hier das Messobjekt im engeren Sinne darstellt. Cornea 28' und Augenlinse 28'' erfüllen auch hier die Aufgabe der fokussierenden Optik 12. Wiederum kann anstelle des Augenfundus auch ein anderes Objekt 8 vermessen werden; dann wird der Messstrahl mit Hilfe einer Optik 12 auf dieses fokussiert, wie in dem gestrichelten Kasten in der 7 links unten angedeutet.
In 7 emittiert die Lichtquelle 1 einen Lichtstrahl 2 mit kurzer Kohärenzlänge, der auf den Strahlteiler 20 trifft, wo die Strahlaufteilung in Referenzstrahl 2' und Messstrahl 2'' erfolgt. Der an der Strahlteilerfläche 4 reflektierte Referenzstrahl 2' wird von dem Umlenkspiegel 34 zum Interferometerausgang mit dem Photodetektor 36 reflektiert und interferiert dort mit dem vom Messarm des Interferometers kommenden Lichtbündel. Der Umlenkspiegel 34 kann in axialer Richtung zum Abgleich der optischen Weglängen in Referenzstrahl und Messstrahl (gerechnet bis zum Messfokus 13) verschoben werden, was in der Abbildung durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Der die Strahlteilerfläche 4 gerade durchsetzende Anteil des Lichtstrahls 2 wird als Messstrahl 2'' von einer Optik 21 in einen Fokus 22 fokussiert. Der Fokus 22 liegt im Krümmungsmitttelpunkt des als Umlenkoptik fungierenden Hohlspiegels 24. Der vom Fokus 22 aus divergent verlaufende Messstrahl 2'' wird von dem Strahlteiler 23 auf den fokussierenden Messlichtspiegel (Hohlspiegel) 24 gerichtet und von diesem in einen Fokus 25 fokussiert, der ebenfalls im Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 24 liegt. Der vom Fokus 25 divergent verlaufende Messstrahl 2'' durchläuft weiters den Strahlteiler 26 und wird von der Optik 27 in den Fokus 25' fokussiert und von der Optik 27' schließlich auf das Messobjekt (Auge) 28 gerichtet. Die Optik des Auges 12 fokussiert dieses Lichtbündel in den Messfokus 13 auf dem Augenfundus 30. Wird anstelle des Augenfundus ein anderes Messobjekt 8 benutzt, wird der Messstrahl 2'' mit Hilfe einer anderen Optik 12 auf dieses fokus siert, wie in dem gestrichelten Kasten in der 7 angedeutet. Das vom Messfokus 13 remittierte Licht läuft dann über die Strahlteiler 26 und 35 zum Interferometerausgang und interferiert dort mit dem Referenzlichtbündel.
Anders als in dem Beispiel der 5 mit dem Kösters-Interferometer, wird in den Anordnungen nach 6 und 7 nur der Messlichtspiegel 24 in z-Richtung um die Strecke Δz, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, bewegt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Schrittmotor-gesteuerten Scanningtisches erreicht werden oder kann mit einer piezoelektrischen Halterung, die von einer Wechselspannung angesteuert wird, oder elektrodynamisch, wie in der 8a skizziert, erreicht werden. Entsprechend bewegt sich der Fokus 25 des Messstrahls 2'' um die Strecke 2·Δz. In der Folge wird schließlich auch der kohärente Messfokus 13, wie oben im Zusammenhang mit dem Kösters-Interferometer beschrieben, durch das Objekt entlang der Messstrecke in z-Richtung verschoben. Die Lage der lichtremittierenden Stellen im Objektinnern ergibt sich eindeutig aus der jeweiligen Position des Messlichtspiegels 24.
In 8a ist eine andere Möglichkeit zur Bewegung des Messlichtspiegels 24 skizziert. Dort ist der Hohlspiegel 24 auf einem elastischen Metallbügel 80 befestigt. Dieser Metallbügel ist an seinen Enden auf einer stabilen Unterlage 81 befestigt. Auf der dem Hohlspiegel gegenüberliegenden Seite ist an dem Metallbügel ein magnetisch weicher Tauchkern 82 befestigt; dieser Tauchkern ragt in eine Magnetspule 83. Durch diese wird ein geeigneter Wechselstrom von einer Stromquelle 84 geschickt, so dass der Tauchkern durch die Wirkung des von der Spule 83 erzeugten Magnetfelds gemeinsam mit dem Hohlspiegel 24 in z-Richtung bewegt wird.
Eine andere Möglichkeit zur Bewegung des Messlichtspiegels um eine Strecke Δz ist in der 8b dargestellt. Dort ist der Hohlspiegel 24 auf dem Umfang einer um die Achse 86 rotierenden Scheibe 85 angebracht. Man kann auch mehrere Messlichtspiegel 24' und 24'' am Umfang anbringen und dadurch bei kleiner Drehzahl der Scheibe 85 relativ hohe Messraten erzielen.
Sowohl in der Anordnung nach 8a als auch in jener nach 8b kann als Umlenkoptik anstelle des Hohlspiegels 24 auch eine Kombination aus Linse plus Planspiegel, wie in der 9, oder ein Konvexspiegel, wie in 10a, oder eine andere Kombination, wie in der 10b dargestellt, verwendet werden.
Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Anmeldung ist die Aufrechterhaltung der eingestellten Wegdifferenz Null (Interferenzbedingung) zwischen Referenzlichtstrahlengang und Messlichtstrahlengang bis zum dynamischen Fokus 13. Hierzu muss die optische Abbildung des von dem bewegten optischen Element erzeugten Fokus (z. B. in der 6 die Abbildung des Fokus 22 über die Optik 21 und die Optik des Auges) in den Messfokus 13 so erfolgen, dass trotz Fokusbewegung im Messobjekt die optische Weglänge im Messstrahlengang zum Fokus hin unverändert bleibt. Berücksichtigt man im Fall des Strahlengangs der 6, dass das Messlicht die Strecke zwischen dem bewegten Umlenkspiegel 24 und dem Messfokus 13 zweimal und die Strecken zwischen Umlenkspiegel 24 und Strahlteiler noch weitere zwei Merkmale durchläuft, folgt, dass die optische Länge dieses Gesamtweges auch bei bewegtem Messfokus dann konstant bleibt, wenn der Fokus 22 im Abbildungsmaßstab 1:1 in den Augenfundus abgebildet wird. Hierbei verschieben sich die Fokusse 22 und 13 um 2·Δz, wenn sich der Umlenkspiegel um Δz verschiebt. Zur Sicherstellung der 1:1 Abbildung muss die Brennweite der Optik 21 gleich der Brennweite der Optik 12 sein. Um verschiedene Baulängen von Augen – und damit zugleich Brennweiten ihrer Optik – berücksichtigen zu können, kann die Optik 21 als Zoom-Optik und in der optischen Achse verschiebbar ausgelegt werden. Dann verschiebt sich der kohärente Messfokus 13 um dieselbe Strecke Δz wie der Messspiegel und die Interterenzbedingung bleibt für alle Fokuspositionen erfüllt. Dies entspricht dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In der Anordnung nach 7 muss die optische Abbildung des Fokus 25 (über 25') in den Messfokus 13 zur Aufrechterhaltung der eingestellten Wegdifferenz Null zwischen Mess- und Referenzlichtstrahlengang (Interferenzbedingung) insgesamt so erfolgen, dass sich bei einer Bewegung des Hohlspiegels 24 um Δz der Messfokus 13 ebenfalls um Δz bewegt. Dies wird durch einen (longitudinalen) Abbildungsmaßstab des Fokus 25 (er verschiebt sich um 2·Δz) in den Messfokus 13 von insgesamt 1:1/2 erreicht. Da nach den bekannten Gesetzen der geometrischen Optik (z. B.: H. Haferkorn, Optik, J. A. Barth Verlag Leipzig, ISBN 3-335-00363-2, 1994, Seite 191) der Tiefenmaßstab proportional zum Quadrat des transversalen Abbildungsmaßstabs ist, muss die Abbildung des Fokus 25 in den Fokus 25' verkleinert im transversalen Abbildungsmaßstab 1: 1/√2 erfolgen. Dies kann durch geeignete Wahl der Brennweite der Optik 27 leicht erreicht werden. In der Anordnung von 7 erfolgt hierzu zunächst eine verkleinerte Abbildung des Fokus 25 durch die Optik 27 im transversalen Abbildungsmaßstab 1: 1/√2 in den Fokus 25' in der in der Brennebene der Optik 27' und anschließend eine 1:1 Abbildung des Fokus 25' durch die Optiken 27' und 12 in den Messfokus 13. Zur Sicherstellung der 1:1 Abbildung muss die Brennweite der Optik 27' gleich der Brennweite der Optik 12 sein. Um verschiedene Baulängen von Augen – damit zugleich Brennweiten ihrer Optik – berücksichtigen zu können, kann die Optik 27' als Zoom-Optik ausgelegt werden. Dann verschiebt sich der kohärente Messfokus 13 um dieselbe Strecke Δz wie der Messspiegel und die Interferenzbedingung bleibt für alle Fokuspositionen erfüllt. Dies entspricht dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Offenbar kann die Einhaltung der Interferenzbedingung bei bewegtem kohärentem Messfokus durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabs der bewegten Fokusse 25, 25' und 13 auf vielfältige Weise erreicht werden. So kann im Strahlengang nach 7 beispielsweise bereits die Abbildung des Fokus 22 durch den Messlichtspiegel 24 in den Fokus 25 im (transversalen) Abbildungsmaßstab 1: 1/√2 erfolgen. Dann kann die Optik 27 weggelassen werden und eine 1:1 Abbildung des Fokus 25 in den Fokus 13 erfolgen, wobei auch hier die Optik 27' als Zoom-Optik ausgebildet werden kann, um unterschiedliche Baulängen von Augen berücksichtigen zu können. Hat man also anfangs die opti sche Weglänge des Messstrahlengangs über den Messfokus 13 gleich der optischen Länge des Referenzlichtstrahlengangs gemacht, bleibt dies und damit die Interferenzbedingung für den kohärenten Messfokus auch bei dessen Bewegung durch das Messobjekt hindurch erhalten. Dies entspricht dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das vom Messobjekt remittierte Licht wird von der Optik des Auges (bzw. der Optik 12) wiederum annähernd kollimiert und von den Optiken 27' und 27 über den Strahlteiler 26 in den Fokus 32 fokussiert. Der Fokus 32 in dem vom Messobjekt remittierten Licht macht ebenfalls eine axiale Bewegung. Mit Hilfe einer mitbewegten Lochblende 33 kann man hier Lichtanteile, die nicht aus dem kohärenten Messfokus 13 kommen, ausblenden. Hierzu muss die Lochblende 33 synchron mit dem Fokus 32 bewegt werden, was beispielsweise mittels eines Schrittmotor-gesteuerten Scanningtisches oder durch eine piezoelektrisch gesteuerte Halterung oder auf andere Weise erreicht werden kann.
Die optische Länge des Referenzlicht-Strahlengangs von dem Strahlenteiler 20 über den Umlenkspiegel 34 zum Strahlteiler 35 wird durch Verschieben des Umlenkspiegels 34 (durch einen Doppelpfeil angedeutet) zur Einstellung der Interferenzbedingung gleich der optischen Länge des Messstrahlengangs, das ist die optische Länge von der Teilerfläche 20 über den Strahlteiler 23 zum Hohlspiegel 24 und von dort über den Strahlteiler 23 zum Fokus 25 und weiter über den Strahlteiler 26 durch die Optiken 27, 27' und 12 zum Messfokus 13 der Messstelle und von dort zurück über den Strahlteiler 26 zum Fokus 32 und weiter über die Optik 37 zum Strahlteiler 35, gemacht. D. h. die optische Wegdifferenz zwischen Referenzlicht- Strahlengang und Messlicht-Strahlengang bleibt auch für den bewegten kohärenten Messfokus 13 gleich Null und es ist nur das aus dem kohärenten Messfokus remittierte Licht mit dem Referenzlicht interferenzfähig. Dies entspricht dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Im Interferometer nach 7 kann auch ein Konvexspiegel 40 als Messlichtspiegel verwendet werden, wie in der 10a skizziert. Hierbei wird der Messstrahl 2'' von einer Optik 41 in den Krümmungsmittelpunkt 42 des Konvexspiegels 40 fokussiert. Der von diesem virtuellen Fokus 42 divergent zurücklaufende Messstrahl 2'' wird von der Optik 43 in den Fokus 25 fokussiert. Der übrige Strahlengang kann unverändert dem der 7 entsprechen. Sinngemäß kann schließlich der Konvexspiegel 40 auch durch eine Kombination aus Zerstreuungslinse 44 und Planspiegel 45 ersetzt werden, wie in der 10b dargestellt.
In der 11 ist das erfindungsgemäße Verfahren an einem Strahlengang des Dual-Beam-Verfahrens auf der Basis eines Michelson-Interferometer-Strahlengangs in der Anwendung zur Distanzmessung an der Retina erklärt. Bei diesem Verfahren wird das Messobjekt mit einem Doppelstrahl 2' und 2'', dem "Dual-Beam", beleuchtet, bestehend aus dem Referenzstrahl 2' und dem Messstrahl 2''. Diese zwei Strahlen entstehen auf folgende Weise:
Der aus der Lichtquelle 1 austretende räumlich kohärente Lichtstrahl 2 mit kurzer Kohärenzlänge I_c wird von der Optik 50 in den Fokus 51 fokussiert. Das vom Fokus 51 divergent verlaufende Lichtbündel durchläuft zum einen Teil den Strahlteiler 52 und trifft als Referenzlichtbündel 2' auf den konkaven Referenzspiegel 54. Dort wird das Referenzlichtbündel reflektiert und in den Fokus 53 fokussiert. Dieses Referenzlichtbündel wird nach Reflexion am Strahlteiler 52 von der Optik 58 auf das Auge gerichtet. Der an der Hornhautvorderfläche 59 reflektierte Teil des Lichtbündels 2' fungiert bei dem Dual-beam-Verfahren am Interferometerausgang als Referenzlicht. Dieses wird von der Optik 58 über den Strahlteiler 57 auf die Lochblende 60 projiziert und von der Optik 61 auf den Photodetektor 62, wo es mit dem Messlicht interferiert.
Weiters wird das vom Fokus 51 divergent verlaufende Lichtbündel 2 von dem Strahlteiler 52 als Messlichtbündel 2'' auf den Messlichtspiegel (Hohlspiegel) 55 gerichtet und muss von diesem gemäß der Erfindung im (transversalen) Abbildungsmaßstab 1: 1/√2 in den Fokus 56' fokussiert werden. Der Hohlspiegel 55 wird zur Durchführung der Messung in z-Richtung – ähnlich wie schon oben beschrieben mittels eines Schrittmotor-gesteuerten Scanningtisches oder durch eine piezoelektrisch gesteuerte Halterung oder auf andere Weise – in z-Richtung, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, um die Strecke Δz bewegt. Dann verschiebt sich der Fokus 56' wegen der verkleinerten Abbildung auch nur um Δz und die optische Weglänge in dem Messstrahlengang verkürzt sich an dieser Stelle um 2·Δz. Ferner wird der Fokus 56' von der Optik 58 und der Optik 12 des Auges in den Messfokus 13 auf der Retina abgebildet. Wenn die Brennweite der Optik 58 gleich jener der Optik 12 des Auges ist, erfolgt diese Abbildung im Maßstab 1:1. Damit verschiebt sich der Messfokus 13 um Δz und die optische Länge verlängert sich in diesem Teil des Messstrahlengangs um 2·Δz (Hin- und Rücklauf). Wenn die optische Länge des Referenzstrahlenganges durch geeignete Position des Umlenkspiegels 54 gleich der optischen Länge im Messstrahlengang bis zum Messfokus 13 und zurück zur Strahlenvereinigung bei dem Strahlteiler 57 gemacht wird, ist die Interferenzbedingung für den kohärenten Messfokus und damit die erfindungsgemäße Bedingung erfüllt, dass die optische Länge im Referenzstrahlengang gleich ist der optischen Länge im Objektstrahlengang, gerechnet von der Strahlteilung 52 über den kohärenten Messfokus 13 zur Strahlenzusammenführung 57 u. zw. für alle Positionen des Messfokus. Dann ist bei Verschiebung des kohärenten Messfokus 13 in z-Richtung immer nur das aus diesem remittierte Licht mit dem Referenzlicht interferenzfähig und nur dieses wird zur interferometrischen Messung benutzt. Dies entspricht der Erfindung.
Das vom kohärenten Messfokus 13 remittierte Licht wird von der Optik 12 des Auges und der Optik 58 über den Strahlteiler 57 in den Fokus 63 fokussiert. Der Fokus 63 macht ebenfalls eine axiale Bewegung synchron mit dem kohärenten Messfokus 13. Mit Hilfe einer Lochblende 60 kann man hier Lichtanteile, die nicht aus dem kohärenten Messfokus 13 kommen, ausblenden. Hierzu muss die Lochblende 60 allerdings synchron mit dem Fokus 63 bewegt werden, was beispielsweise mittels eines Schrittmotor-gesteuerten Scanningtisches oder durch eine piezoelektrisch gesteuerte Halterung oder auf andere Weise erreicht werden kann.
Bei der Kohärenz-Tomographie erfolgt, wie schon oben angedeutet, eine ganze Reihe von beispielsweise in der x-Richtung eng benachbarten A-Scan-Messungen. In der 12 ist ein Beispiel aus der Ophthalmologie zur Gewinnung von Tomogrammen der Retina auf Basis eines modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers angegeben. Von der Lichtquelle 1 wird ein Kurzkohärentes Lichtbündel 2 emittiert. Dieses wird von der Strahlteilerfläche 4 in Referenzstrahl 2' und Messstrahl 2'' geteilt. Der Messstrahl 2'' wird von dem Umlenkspiegel 70 und dem Strahlteiler 71 auf den bewegten Messlichtspiegel 24 gerichtet. Dieser fokussiert das Messlichtbündel 2'' in den Fokus 72. Der Fokus 72 wird von den Optiken 73 und 74 über den Scanningspiegel 75 in den Fokus 76 abgebildet und weiter von der Optik 77 und der Optik 12 des Auges in den kohärenten Messfokus 13. Der drehbare Spiegel 75 richtet den Messlichtstrahl 2'' bzw. den Fokus 13 auf verschiedene Stellen am Fundus 30 des Auges und ermöglicht so die Gewinnung eines Tomogramms. Das vom kohärenten Messfokus 13 remittierte Lichtbündel 10 nimmt denselben Weg zurück bis zum Strahlteiler 4, durchsetzt diesen und wird von der Optik 78 durch die Lochblende 79 auf den Photodetektor 90 gerichtet.
Das Referenzlichtbündel 2' wird von dem Dachkantprisma 91, welches zum Abgleich der optischen Weglängen im Referenz- und Messstrahlengang dient, zum Umlenkspiegel 92 und von dort zur Optik 93 gerichtet. Das Referenzlicht bündel 2' wird danach von der Optik 93 aufgeweitet und von der Optik 94 über den Strahlteiler 95 in die Nähe der Hornhaut des Auges fokussiert bzw. gespiegelt. Das von der Hornhaut reflektierte Lichtbündel 9 nimmt denselben Weg zurück bis zum Strahlteiler 4, wo es von der Optik 78 durch die Lochblende 79 auf den Photodetektor 90 gerichtet wird und mit dem vom Fundus kommenden Lichtbündel interferiert.
Die Kohärenz des Fokus 13 mit dem Referenzlicht wird durch optischen Wegabgleich zwischen Referenz- und Messlichtbündel erreicht. Hier trifft auf den Messlichtspiegel 24 ein paralleles Lichtbündel und wird in den Fokus 72 fokussiert. Da hier der Messlichtspiegel 24 den Fokus 72 um dieselbe Strecke mitbewegt, wird der Fokus hier erfindungsgemäß durch zwei 1:1-Abbildungen, einmal durch die Optiken 73 und 74 nach 76 und einmal durch die Optiken 77 und 12 nach 13 abgebildet. Eine dieser Optiken kann als Zoom-Optik ausgebildet werden, um unterschiedliche Augenlängen berücksichtigen zu können. Verschiebt sich der Spiegel 24 in Achsrichtung um die Strecke Δs, verkürzt sich die optische Länge im Messstrahlengang an dieser Stelle um 2·Δs. Da der Fokus 13 um die Strecke Δs verschoben wird, verlängert sich am Auge die optische Länge des Messstrahlengangs um 2·Δs (Hin- und Rücklauf), so dass insgesamt die optische Länge des Messlichtstrahlengangs unverändert gleich der optischen Länge des Referenzlichtstrahlengangs bleibt. Dies entspricht der Erfindung.
Es sei noch erwähnt, dass auch die Anwendung der Kohärenz-Distanzmessung nach 6 und 7 für die Kohärenz-Tomographie so realisiert werden kann, dass zwischen dem Interferometer und dem Messobjekt 28 ein rotierender Scanningspiegel angeordnet wird, der den Messstrahl 2'' auf unterschiedliche x-Positionen am Messobjekt lenkt, in welchen die A-Scan-Messung erfolgt.
Schließlich sei noch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem faseroptischen Tomographie-Gerät illustriert. In der 13 emittiert eine Lichtquelle 1 einen Kurzkohärenten Lichtstrahl 2, der von einer Optik 100 auf die Eingangsfläche 101 eines faseroptischen Michelson-Interferometers 99 mit einem faseroptischen Koppler 115 gerichtet wird. Der Lichtstrahl 2 wird durch den faseroptischen Koppler in Referenzlichtstrahl 2' und Messlichtstrahl 2'' geteilt. Der Referenzlichtstrahl 2' wird von einer Optik 102 auf den Referenzspiegel 103 gerichtet, der zum Einstellen der Interferenzbedingung (gleiche optische Weglänge vom Strahlteiler des Interferometers zum Referenzspiegel 103 und zum kohärenten Messfokus 13) in Strahlrichtung verschoben werden kann, was durch den Doppelpfeil angedeutet ist.
Der Messlichtstrahl 2'' wird von einer Optik 104 kollimiert und durch einen Strahlteiler 105 hindurch auf den Messlichtspiegel (Hohlspiegel) 106 gerichtet. Der Hohlspiegel 106 dient zur Realisierung des bewegten kohärenten Messfokus. Er wird in Strahlrichtung, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, um die Strecke Δs bewegt. Der Spiegel 106 fokussiert das Messlichtbündel 2'' in den Fokus 107, der hier eine Verschiebung in Richtung der Strahlachse um dieselbe Strecke Δs erfährt, wie der Messlichtspiegel 106. Auch hier können Alternativen zum Hohlspiegel 106, wie in den 8a, 8b, 9, 10a und 10b beschrieben, eingesetzt werden.
Der Fokus 107 wird durch die Optik 108 über den Scanningspiegel 109 in den Fokus 110 abgebildet. Der Fokus 110 wird weiters durch die Optik 111 und die Optik 12 des Auges (Cornea und Augenlinse) in den kohärenten Messfokus 13 auf dem Augenfundus abgebildet. Der Scanningspiegel 109 dient dazu, den Messstrahl 2'' auf verschiedene Positionen am Messobjekt (hier der Augenfundus) zu richten, um das tomographische Abbildungsverfahren zu realisieren. Die z-Positionen der lichtremittierenden Stellen im Messobjekt erhält man hier aus den zugehörigen Positionen des Messspiegels 106.
Da hier der den Fokus 107 erzeugende Umlenkspiegel 106 von einem parallelen Lichtbündel beleuchtet wird, verschiebt sich der Fokus 107 um dieselbe Strecke Δs wie der Umlenkspiegel selbst. Daher muss die Abbildung des Fokus 107 in den Messfokus 13 durch geeignete Wahl der Brennweiten der involvierten Optiken 108, 111 und 12 insgesamt im Abbildungsmaßstab 1:1 erfolgen. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Baulängen von Augen kann die Optik 111 als Zoom-Optik ausgebildet werden, deren Brennweite dann annähernd gleich der Augenbrennweite einzustellen wäre. Dann bleibt die optische Länge im Messstrahlengang auch bei bewegtem kohärentem Messfokus 13 konstant und bei entsprechender Abstimmung auch gleich groß wie die optische Länge im Referenzstrahlengang (Interferenzbedingung). Dies entspricht der Erfindung.
Die vom kohärenten Messfokus 13 und dem Referenzspiegel 103 remittierten Lichtbündel 10 bzw. 9 werden im faseroptischen Interferometer überlagert, treten am Interferometerausgang 112 aus und werden von einer Optik 113 auf den Photodetektor 114 gerichtet, wo das elektrische Photodetektorsignal U entsteht, welches zur tomographischen Bildsynthese benutzt wird.

Claims

Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung zur Messung der Lage lichtremittierender Stellen entlang einer Messstrecke an der Oberfläche und im Innern von Objekten mittels eines Messlichtstrahls eines Kurzkohärenz-Interferometers, bei dem zur Erzielung von Interferenz ein Weglängenabgleich zwischen Messarm und Referenzarm auf gleiche optische Länge erfolgt und die Positionen der lichtremittierenden Stellen im Objekt entlang der Messstrecke aus der für diese Positionen zum Weglängenabgleich erforderlichen Längenänderung von Messlichtstrahl und/oder Referenzstrahl bestimmt werden, wobei der Messlichtstrahl in oder auf das Messobjekt fokussiert und der so erzeugte Messfokus entlang der Messstrecke so bewegt wird, dass er bei der Abtastbewegung entlang der Messstrecke kohärent zum Referenzlicht bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messfokus (13) und der zur Gewährleistung seiner Kohärenz zum Referenzlicht (2') erforderliche Weglängenabgleich durch die Bewegung eines einzigen optischen Bauteils (24; 38 mit 39; 40; 44 mit 45; 55 und 106) bewerkstelligt werden.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messlichtstrahl (2'') eines Michelson-Interferometers ein von einem bewegten Hohlspiegel (24) erzeugter reeller Fokus (22) im transversalen Abbildungsmaßstab 1:1 in das Messobjekt (30) abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messlichtstrahl (2'') eines modifizierten Mach-Zehnder-Interterometers ein von einem bewegten Hohlspiegel (24) erzeugter reeller Fokus (25) im transversalen Abbildungsmaßstab 1:1/2 in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messlichtstrahl (2'') eines faseroptischen Interferometers (99) ein von einem bewegten Hohlspiegel (106) erzeugter reeller Fokus (107) im transversalen Abbildungsmaßstab 1:1√2 in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messarm eines Interferometers ein von einem bewegten Konvexspiegel (40) erzeugter virtueller Fokus (42) in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messarm eines Interferometers ein von einer Kombination aus Linse (38 bzw. 44) und Planspiegel (39 bzw. 45) bestehenden bewegten Optik erzeugter reeller oder virtueller Fokus (25 bzw. 42) in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und Tomographie nach dem Doppelstrahl-Verfahren mit erhöhter Transversalauflösung zur Messung der Lage lichtremittierender Stellen entlang einer Messstrecke an der Oberfläche und im Innern von Objekten auf Basis der Kurzkohärenz-Interferometrie, bei dem das Messobjekt von einem Doppelstrahl, bestehend aus Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl, beleuchtet wird, der aus einem Zweistrahl-Interferometer austritt und bei dem zur Erzielung von Interferenz in dem vom Messobjekt remittierten Licht ein Weglängenabgleich zwischen Messarm und Referenzarm dieses besagten Zweistrahl-Interferometers auf gleiche optische Länge erfolgt, die Positionen der lichtremittierenden Stellen im Objekt entlang der Messstrecke aus der für diese Positionen zum Abgleich erforderlichen Längenänderung in Messarm und/oder Referenzarm bestimmt werden, wobei der Referenzstrahl an einer festen lichtremittierenden Stelle des Objekts reflektiert wird, während der Messstrahl in oder auf das Messobjekt fokussiert wird und der so gebildete Messfokus während der Messung entlang der Messstrecke bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messfokus (13) und der interferometrische Weglängenabgleich durch die Bewegung eines einzigen optischen Elements (55 bzw. 24) bewerkstelligt werden.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelstrahl (2' + 2'') von einem modifizierten Michelson-Interferometer erzeugt wird und im Messlichtstrahl (2'') ein von einem bewegten Hohlspiegel (55) erzeugter reeller Fokus (56') im Abbildungsmaßstab 1:1 in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelstrahl (2' + 2'') von einem modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer erzeugt wird und im Messlichtstrahl (2'') ein von einem bewegten Hohlspiegel (24) erzeugter reeller Fokus (72) im transversalen Abbildungsmaßstab 1: √2 in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Messarm eines Interferometers ein von einem bewegten Konvexspiegel (40) erzeugter virtueller Fokus (42) in das Messobjekt abgebildet wird.
Verfahren zur Kohärenz-Biometrie und -Tomographie mit erhöhter Transversalauflösung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Messarm eines Interferometers ein von einer Kombination aus Linse (38 bzw. 44) und Planspiegel (39 bzw. 45) bestehenden bewegten Optik erzeugter reeller oder virtueller Fokus (25 bzw. 42) in das Messobjekt abgebildet wird.