DE19719462B4

DE19719462B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der optischen Kohärenztomographie

Info

Publication number: DE19719462B4
Application number: DE19719462A
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Prof. Dr. Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: ATA84696A; JPH1099337A; DE19719462A1; JP3868057B2; US5877856A

Abstract

Verfahren zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung durch Abtastung des Objekts mit teilkohärenten Lichtstrahlen und Detektion der Tiefenposition der lichtremittierenden Stellen im Objektinnern mittels Teilkohärenz-Interferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass der das Objekt abtastende interferometrische Messstrahl ein durch Strahlteilung gewonnener Doppelstrahl ist, dessen zwei interferometrische Teilstrahlen von der Strahlteilung zum Objekt und zurück zum Photodetektor im Teilkohärenz-Interferometer insgesamt eine Wegdifferenz von λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon besitzen, so dass bei homogener Objektstruktur die aus den beiden Objektpunkten remittierten Lichtbündel im tomographischen Interferometer miteinander destruktiv interferieren.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der optischen Bildgewinnung auf dem Gebiet der Medizin.
Stand der Technik:
In der optischen Kohärenztomographie wird das Schnittbild eines Objekts dadurch gewonnen, dass ein Lichtstrahl das Objekt entlang einer Linie (z. B. entlang einer Geraden auf der Oberfläche) abtastet. Diese Abtastbewegung ergibt (beispielsweise) die x-Koordinate des Bilds. In jeder x-Position entlang dieser Linie dringt der Lichtstrahl auch in das Objekt ein. Mit Hilfe eines tomographischen Interferometers wird gemessen, aus welcher Tiefe z Licht der Intensität I remittiert wird. So erhält man ein tomographisches Bild I(x, z) des Objekts. Dieses Abbildungsverfahren wurde erstmalig beschrieben im Aufsatz "Optical coherence tomography" der Autoren: 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. in: Science, Band 254, Jahrgang 1991, Seiten 1178–1181.
Als bilderzeugende Strukturen wirken bei diesem Verfahren – ähnlich wie in der klassischen Auflichtmikroskopie – räumlich hochfrequente Modulationen des Streupotentials (entspricht etwa dem komplexen Brechungsindex). Während in der klassischen Mikroskopie zur Verbesserung der Sichtbarkeit von Gewebestrukturen optische Kontrastierungsverfahren wie Phasenkontrast und Interferenzkontrast entwickelt wurden, sind geeignete Verfahren für die Kohärenztomographie bisher nicht bekannt geworden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, die eine Kontrastverbesserung der Bilder der Kohärenztomographie erlauben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung zur Kontrastanhebung wird das Objekt mit teilkohärenten Lichtstrahlen abgetastet und die Tiefenposition der lichtremittierenden Stellen im Objektinnern mittels Teilkohärenz-Interferometrie detektiert. Der das Objekt abtastende interferometrische Messstrahl ist dabei ein durch Strahlteilung gewonnener Doppelstrahl, dessen zwei interferometrische Teilstrahlen von der Strahlteilung zum Objekt und zurück zum Photodetektor im Teilkohärenz-Interferometer insgesamt eine Wegdifferenz von λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon besitzen, so dass bei homogener Objektstruktur die aus den beiden Objektpunkten remittierten Lichtbündel im tomographischen Interferometer miteinander destruktiv interferieren. Die Strahlteilung erfolgt durch Wellenfrontteilung mit Hilfe eines Strahlteiler-Umlenkspiegels, der eine Strahlteilerfläche und eine Spiegelfläche besitzt, die gegeneinander um einen Winkel geneigt sind und eine solche Strecke auseinanderliegen, dass der Lichtweg für die beiden interferometrischen Teilstrahlen beim zweimaligen Durchgang sich um λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon unterscheidet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen näher beschrieben.
1: Prinzip der Kohärenztomographie.
2: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrastverbesserung in der Kohärenztomographie auf Basis der Phasen der remittierten Lichtbündel.
3: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrastverbesserung in der Kohärenztomographie auf Polarisationsbasis.
4: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrastverbesserung in der Kohärenztomographie mit azimutaler Einstellbarkeit der Ortsdifferenz.
5: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrastverbesserung in der Kohärenztomographie mit kontinuierlich einstellbarer Ortsdifferenz.
6: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrastverbesserung in der Kohärenztomographie auf Polarisationsbasis mittels doppelbrechender Linse,
7: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrastverbesserung in der Kohärenztomographie auf Polarisationsbasis mittels Verzögerungsplatte.

1: Objekt
2: Messlichtbündel
3: Scanningspiegel
4: Streustelle im Objekt
5: Räumlich hoch kohärente und zeitlich niedrig kohärente Lichtquelle
6: Räumlich hoch kohärentes und zeitlich niedrig kohärentes Lichtbündel
7: Strahlteiler
7': Teilerfläche des Strahlteilers 7
8: Referenzlichtstrahl
9: Referenzlichtspiegel
10: Optik
11: Photodetektor
12: Rechner
13: Strahlteiler-Umlenkspiegel
13': Strahlteilerfläche des Strahlteiler-Umlenkspiegels 13
13'': Spiegelfläche des Strahlteiler-Umlenkspiegels 13
14': Objektpunkt oder Fokus eines Lichtstrahls in diesem Punkt
14'': Objektpunkt oder Fokus eines Lichtstrahls in diesem Punkt
15': interferometrischer Teilstrahl
15'': interferometrischer Teilstrahl
16: Optik
17': vom Wollaston-Prisma erzeugter interferometrischer Teilstrahl
17'': vom Wollaston-Prisma erzeugter interferometrischer Teilstrahl
18: Wollaston-Prisma
19: λ/2-Platte
20': Kompensatorplatte
20'': Kompensatorplatte
21: Polarisator
22: Strahlteiler
23: Strahlteiler-Endspiegel
23': Strahlteilerfläche von 23
23'': Spiegelfläche von 23
24: Achse
25: Strahlteilerplatte
25': Strahlteilerfläche
26: Endspiegel
27: feste Unterlage
28: piezoelektrischer Zylinder
29: Stahlkugel.

Bei der in der 1 skizzierten Vorrichtung zur Kohärenztomographie wird das abzubildende Objekt 1 von einem Lichtstrahl 2 abgetastet. Dabei führt ein Scanningspiegel 3 den fokussierten Lichtstrahl 2 entlang einer Linie in x-Richtung auf dem Objekt 1. Diese Linie stellt die eine Bildkoordinate, beispielsweise x, eines zweidimensionalen Bilds I(x, y) dar. Der Lichtstrahl 2 dringt auch in das Objekt 1 ein und wird von Streustellen 4 im Objektinnern unterschiedlich stark zurückgestreut. Die Lage dieser Streustellen 4 bildet die zweite Bildkoordinate, beispielsweise als z-Koordinate bezeichnet. Diese Bildkoordinate wird bei der Kohärenztomographie mit Hilfe eines tomographischen Interferometers auf Basis der Teilkohärenz-Interferometrie festgestellt.
Das tomographische Teilkohärenz-Interferometer arbeitet, ebenfalls kurz anhand der 1 beschrieben, folgend: Eine teilkohärente Lichtquelle 5, beispielsweise eine Superlumineszenzdiode, emittiert ein räumlich kohärentes, aber zeitlich teilkohärentes Lichtbündel 6. Dieses wird von dem Strahlteiler 7 teilweise als interferometrisches Referenzlichtbündel 8 zum Referenzspiegel 9 reflektiert und teilweise als interferometrischer Messlichtstrahl 2 in den Messarm des Interferometers transmittiert. Das Messlichtbündel 2 wird von der Optik 10 über den Scanningspiegel 3 auf das Objekt 1 gerichtet. Das von der Streustelle 4 remittierte Licht wird über den Scanningspiegel 3 und die Optik 10 zurück zum Strahlteiler 7 und dort auf den Photodetektor 11 gerichtet. Wenn die optische Länge im Messstrahlengang von der Teilerfläche 7' bis zur Streustelle 4 innerhalb der Kohärenzlänge gleich groß ist, wie die optische Länge im Referenzstrahlengang von der Teilerfläche 7' zum Umlenkspiegel 9, interferieren diese beiden Lichtbündel. Zur Feststellung dieser Interferenz führt der Referenzspiegel 9 den sogenannten Kohärenzscan aus, d. h. er wird kontinuierlich in Richtung des Referenzstrahls bewegt. Immer wenn die Länge des Referenzlicht-Strahlengangs mit der optischen Länge im Messstrahlengang übereinstimmt, gibt es Interferenz zwischen den betreffenden Lichtbündeln. Auf diese Weise wird die z-Position der lichtremittierenden Stellen im Objekt festgestellt. Man beachte, dass in den folgenden Abbildungen die Länge des Referenzstrahlengangs aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellungen durchwegs kürzer gezeichnet ist, als die Länge des Messstrahlengangs. Durch die Bewegung des Referenzspiegels erfährt das an diesem Spiegel reflektierte Licht auch eine entsprechende Dopplerverschiebung und man erhält am Photodetektor 11 eine zeitlich wechselnde Helligkeit, die der Photodetektor als elektrisches Interferometersignal IS(z) nachweist. Dieses Verfahren wird daher auch als Dopplerverfahren bezeichnet.
Die Größe des elektrischen Interferometersignals IS(z) ist proportional zur Größe der aus dem Objekt aus der Position z zurückgestreuten Welle. Die Koordinate z ist, wie gesagt, jene Position im Objekt, für die die optischen Weglängen in Mess- und Referenzarm, vom Strahlteiler 7 aus gerechnet, gleich groß sind. Das elektrische Interferometersignal IS wird elektronisch gleichgerichtet und bandpassgefiltert, daher tragen zur Bildentstehung nur Signale mit Dopplerfrequenz bei.
Ein Rechner 12 steuert den Scanningspiegel 3 in verschiedene Positionen α, welche verschiedenen x-Positionen im Objekt entsprechen. In jeder dieser Positionen α wird durch Verschieben des Referenzspiegels 9 die Stärke der Lichtremission entlang der Objekttiefe z gemessen. Aus diesen Größen wird mittels desselben oder eines weiteren Rechners das Bild I(α, z) bzw. I(x, z) zusammengesetzt. Ein Kohärenztomographie-Gerät besteht also aus zwei wesentlichen Einheiten: der Scanningeinheit (in der 1 der Scanningspiegel 3 mit zugehöriger Steuerung) und dem Teilkohärenz-Interferometer (in der 1 das abgebildete Michelson-Interferometer mit dem Strahlteiler 7 und den zugehörigen Steuerungseinrichtungen).
Während bei der Kohärenztomographie das Objekt von nur einem einzigen interferometrischen Messlichtbündel beleuchtet wird, wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren das Objekt von zwei, in zwei auseinander liegende Punkte fokussierten Teilstrahlen, also einem "interferometrischen Doppelstrahl", gleichzeitig beleuchtet. Dabei werden die optischen Weglängen in der Vorrichtung so abgeglichen, dass das aus den beiden Fokussen remittierte Licht auf dem Photodetektor 11 in Gegenphase auftrifft. Erfolgt nun in beiden Fokussen dieselbe Beeinflussung von Amplitude, Phase und Polarisation, löschen sich die am Photodetektor eintreffenden, aus den Fokussen remittierten Lichtbündel, durch destruktive Interferenz gegenseitig aus. Bei diesem Verfahren werden daher nur solche Strukturen sichtbar, die sich über die Distanz der beiden Fokusse ändern bzw. Amplitude, Phase und Polarisation des aus den beiden beleuchteten Punkten remittierten Lichts unterschiedlich beeinflussen.
Die Fokusse der beiden Teilstrahlen des Doppelstrahls können hierbei in verschiedenen Richtungen auseinander liegen. Eine Vorrichtung, bei der das durch einen Strahlteiler-Umlenkspiegel erreicht wird, ist in der 2 angedeutet. Dort emittiert eine Superlumineszenzdiode 5 ein räumlich kohärentes aber zeitlich teilkohärentes Lichtbündel 6. Dieses wird von dem Strahlteiler 7 teilweise zum Referenzspiegel 9 reflektiert und teilweise in den Messarm des Interferometers transmittiert. Im Messarm des Interferometers befindet sich ein Strahlteiler-Umlenkspiegel 13. Der Strahlteiler-Umlenkspiegel 13 besitzt eine Strahlteilerfläche 13' und dahinter eine Spiegelfläche 13''. Für die hier gewünschte destruktive Interferenz ist der optische Lichtweg von der Strahlteilerfläche 7' über die Spiegelfläche 13'' und den Scanningspiegel 3 zum Fokus 14' und zurück zur Strahlteilerfläche 7' um (2n + 1)·λ/2 größer als der über 13' zum Fokus 14' und zurück, wobei n die Ordnungszahl der Interferenz ist. Die beiden lichtreflektierenden Flächen 13' und 13'' liegen also in der Ausbreitungsrichtung des Lichts eine kurze Strecke auseinander. Außerdem sind diese beiden lichtreflektierenden Flächen gegeneinander um einen Winkel β geneigt. Wegen dieses Keilwinkels β werden die beiden an den Flächen 13' und 13'' reflektierten Lichtbündel 2' und 2'' von der fokussierenden Optik 10 in zwei auseinander liegende Punkte 14' und 14'' in dem Objekt 1 fokussiert. Durch den Abstand der Flächen 13' und 13'' erfahren die Lichtbündel 2' und 2'' eine Phasenverschiebung um ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4. Die aus den Fokussen im Objekt remittierten beiden Lichtbündel 15' und 15'' werden von der Optik 10 kollimiert, erfahren an dem Strahlteiler-Umlenkspiegel 13 eine weitere Phasenverschiebung zueinander um ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4 und treten schließlich wieder parallel zueinander in das Interferometer ein. Dort werden sie an der Teilerfläche 7' mit dem Referenzlichtbündel 8 überlagert und von der Optik 16 gemeinsam zum Photodetektor 11 gerichtet.
Wenn die beiden Lichtbündel 15' und 15'' vom Objekt in ihrer Amplitude, Phase und Polarisation in gleichem Masse verändert wurden oder unverändert geblieben sind, dann interferieren sie destruktiv am Photodetektor 11 und dessen elektrisches Signal wird von dem Referenzlicht allein erzeugt und ist konstant, was bei dem Dopplerverfahren beispielsweise bedeutet, dass das Bildsignal I(x, z) hier Null ist. Ändern sich diese Parameter jedoch, beispielsweise weil sich die Objekteigenschaften in den Punkten 14' und 14'' unterscheiden, dann gibt es eine resultierende Lichtwelle von dem Objekt 1, die mit dem Referenzlicht 8 interferiert und ein entsprechendes Photodetektorsignal IS produziert. Es werden also Unterschiede in den Objekteigenschaften benachbarter Objektpunkte abgebildet. Dabei führen sowohl unterschiedliches Remissionsvermögen dieser Punkte, als auch unterschiedliche Phasenverschiebungen sowie unterschiedliche Veränderungen des Polarisationszustands im aus diesen Punkten remittierten Licht zu einem Interferometersignal IS am Ausgang und damit zu einem hellen Bildpunkt. Unterschiede in den Objekteigenschaften werden also auf Basis der Ortsdifferenz Δx abgebildet. Der Abstand Δx der Punkte 14' und 14'' ist in der Anordnung nach 2 gegeben durch den Winkel β zwischen den Flächen 13' und 13'' und die Brennweite f der Optik 10: Δx = 2·β·f
Der Strahlteiler-Umlenkspiegel 13 besteht aus zwei an den Hypotenusenflächen zusammen gesetzten dreiseitigen Teilprismen. Zwischen den Hypotenusenflächen befindet sich ein keilförmiger Spalt aus Luft, Optik-Kitt oder einem anderen Stoff, mit einem Brechungsindex anders als jenem der Prismen und mit einem Keilwinkel β. Die optische Spaltdicke D (= geometrische Dicke mal Brechungsindex im Spalt) in der Mitte des Strahlenbündels 6' ist für kleine Winkel β und kleine Ordnungszahlen n näherungsweise (siehe 2):
Ein solches Gerät liefert Bilder, die bei großem Δx dem Phasendifferenzverfahren und bei kleinem Δx dem Differentialinterferenzkontrastbild der klassischen Interferometrie entsprechen.
In der 3 ist eine alternative Anordnung zur optischen Kontrastierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben. Dort wird das Objekt 1 von einem Doppelstrahl mit den Teilstrahlen 17' und 17'' beleuchtet. Dieser Doppelstrahl entsteht aus dem teilkohärenten Lichtbündel 2 durch ein Wollaston-Prisma 18. Das Wollaston-Prisma 18 besteht aus zwei an den Hypotenusenflächen zusammengesetzten dreiseitigen Teilprismen aus doppelbrechendem Material. Es liefert zwei zueinander senkrecht linear polarisierte Wellen 17' und 17'', die je nach Prismengeometrie und Material verschieden stark divergieren. Benutzt man beispielsweise Teilprismen mit gleichschenkeligen Grundflächen, erhält man mit Quarzkristall als Material Divergenzwinkel δ um 1°, mit Kalkspat Divergenzwinkel um 20°. Wenn das von der Lichtquelle 5 kommende Lichtbündel 6 bereits polarisiert ist, lassen sich die Orientierung der Polarisationsebene der Welle 2, und damit die Intensitäten der am Wollaston-Prisma 18 entstehenden Teilwellen 17' und 17'', mit Hilfe der λ/2-Platte 19 einstellen. Anderenfalls wird anstelle der λ/2-Platte 19 ein Polarisator angeordnet, über dessen azimutale Orientierung ebenfalls die Intensitäten der Teilwellen 17' und 17'' eingestellt werden können.
Zur Kompensation der durch die doppelbrechenden Komponenten des Wollaston-Prismas 18 bedingten großen optischen Wegdifferenz kann noch die Anordnung eines Kompensators im Messstrahlengang erforderlich sein. Dieser besteht aus zwei einachsigen Platten 20' und 20'', die gegeneinander um 90° gedreht sind, so dass die langsame Achse der einen Platte parallel zur schnellen Achse der zweiten Platte liegt. Durch geeignete Wahl der Dicken der beiden Platten 20' und 20'' kann im Messstrahlengang für Hin- und Rücklauf der Wellen von der Strahlteilerfläche 7' zu den Punkten 14' und 14'' und zurück zur Strahlteilerfläche 7' insgesamt eine Wegdifferenz von λ/2 oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon erreicht werden. Die Verwendung von λ/2-Platten und Kompensatoren gehört zum Stand der Technik der Polarisationsoptik.
Schließlich befindet sich im gemeinsamen Strahlengang von Messlicht und Referenzlicht vor dem Photodetektor 11 noch ein Polarisator 21, der so orientiert wird, dass er etwa 50% der Intensitäten der aus den Punkten 14' und 14'' zurück kommenden Lichtbündel durchlässt und für Interferenz der durchgelassenen Lichtanteile sorgt.
In den Anordnungen nach 2 und 3 werden Unterschiede in den Objekteigenschaften auf Basis der Ortsdifferenz Δx gebildet. Man kann die Fokusse 14' und 14'' auch in unterschiedliche z-Positionen legen, wenn man das Wollaston-Prisma in der 3 durch eine doppelbrechende Linse ersetzt. Eine doppelbrechende Linse besteht aus z. B. einem einachsig doppelbrechenden Stoff mit der optischen Achse in der Linsenebene. Eine solche Linse hat für zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen zwei unterschiedliche Brechkräfte, die zusammen mit der Optik 10 zwei Fokusse auf der optischen Achse in unterschiedlichen Objekttiefen erzeugen. Dann bildet der Kohärenztomograph Unterschiede der Objektstruktur ab, die in z-Richtung auftreten.
Durch Rotation des Wollaston-Prismas im Strahlengang der 3 um eine Achse parallel zur Achse des Strahls 2 kann die Orientierung der Strahlaufspaltung und damit die Lage der zwei in x-Richtung auseinander liegende Fokusse 14' und 14'' verändert werden. Um diesen Freiheitsgrad auch bei der Anordnung mit dem Strahlteiler-Umlenkspiegel zu erhalten, muss letzterer modifiziert werden und in Reflexion benutzt werden, wie in der 4 dargestellt. Hier trifft das Messbündel 2 zunächst auf den Strahlteiler 22 und wird zum Strahlteiler-Endspiegel 23 gelenkt. Letzterer besitzt eine Strahlteilerfläche 23' und eine Spiegelfläche 23''. Diese beiden lichtreflektierenden Flächen liegen in der Ausbreitungsrichtung des Lichts um die optische Distanz λ/8 (oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon) auseinander. Die am Strahlteiler-Endspiegel 23 reflektierten Lichtbündel werden von der Optik 10 in zwei Objektpunkte 14' und 14'' fokussiert. Die aus diesen Punkten remittierten Lichtbündel 15' und 15'' laufen über den Strahlteiler-Endspiegel 23 und den Strahlteiler 22 in das Interferometer zurück und werden mit dem Referenzlichtbündel 8 überlagert. Der Strahlteiler-Endspiegel 23 kann um eine Achse 24 drehbar angeordnet werden. Damit kann die Orientierung der zwei Abtastpunkte 14' und 14'' im Objekt der x-y-Ebene beliebig eingestellt werden.
Man kann die beiden lichtreflektierenden Flächen 23' und 23'' in dem Strahlteiler-Endspiegel auch auf andere Weise gestalten. Beispielsweise kann die Fläche 23' normal zur Achse orientiert werden und die Fläche 23'' als sphärische Fläche ausgebildet werden. Dann erhält man im Objekt zwei in der Tiefe (z-Richtung) auseinander liegende Fokusse und ein Abbildungsverfahren, welches Objektdifferenzen in der Tiefe betont.
Schließlich sei noch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwähnt, bei der die Ortsdifferenz der beiden Fokusse im Objekt kontinuierlich eingestellt werden kann: 5. Hierzu wird das Messlichtbündel 2 zunächst vom Strahlteiler 22 auf einen piezoelektrisch einstellbaren Strahlteiler-Endspiegel gelenkt. Letzterer besteht aus einer Strahlteilerplatte 25 mit einer teildurchlässigen Fläche 25' und einem Endspiegel 26. Der Endspiegel 26 sitzt fest auf einer Unterlage 27. Die Strahlteilerplatte 25 sitzt auf drei piezoelektrischen Säulen 28, deren Länge durch Anlegen einer Spannung an die Anschlüsse 28' und 28'' reguliert werden kann (dies gehört zum Stand der Technik). Zur Vermeidung von mechanischen Spannungen liegt zwischen der Strahlteilerplatte 25 und den piezoelektrischen Säulen 28 jeweils eine Stahlkugel 29. Durch Anlegen verschiedener großer Spannungen an die drei Piezosäulen kann sowohl die Größe Δx der Ortsdifferenz für den Bildkontrast als auch die Orientierung der Ortsdifferenz kontinuierlich eingestellt werden.
6:
Von der Superlumineszenzdiode LD wird ein zeitlich kurz kohärenter jedoch räumlich vollständig kohärenter Lichtstrahl LS emittiert. Der Strahlteiler ST teilt den Strahl in Referenzstrahl RS, reflektiert am Referenzspiegel S und Objektstrahl OS.
Der Polarisator P erzeugt linear polarisiertes Licht unter z. B. 45° zur optischen Achse der nachfolgenden doppelbrechenden Linse L. Die plankonvexe doppelbrechende Linse L ist aus Quarz oder aus Kalkspat oder einem anderen doppelbrechenden Material hergestellt. Ihre optische Achse liegt parallel zur Planfläche. Dadurch hat diese Linse für das ordentliche Lichtbündel OL und das außerordentliche Lichtbündel AL zwei unterschiedliche Brechnungsindizes und damit zwei unterschiedliche Brennweiten.
Die Fokussierlinse FL fokussiert die zwei von der doppelbrechenden Linse L kommenden Lichtbündel OL und AL noch zusätzlich. Diese Lichtbündel werden von dem Umlenkspiegel US auf das Objekt O gerichtet. Das Objekt besteht aus Strukturen S1 und S2, die Licht polarisationsabhängig steuern.
Beim A-Scan der OCT-Technik wird nun beispielsweise der Referenzspiegel S kontinuierlich verschoben. Wenn innerhalb der Kohärenzlänge des benutzten Lichts optische Weggleichheit vom Strahlteiler zu einer lichtemittierten Stelle im Objekt und vom Strahlteiler zum Referenzspiegel S besteht, treten am Interferometerausgang Interferenzen auf, die als OCT-Signal zur Tomogrammgewinnung benutzt werden.
Wegen der doppelbrechenden Linse besteht nun optische Weggleichheit gleichzeitig für zwei entlang der Objekttiefe (z-Richtung) auseinander liegende Stellen, beispielsweise O1, O2 im Objekt O. Diese Stellen liegen in z-Richtung eine optische Strecke Δz = d·Δn auseinander, worin Δn der Brechzahlunterschied des Linsenmaterials für zwei Polarisationsrichtungen und d die Dicke der doppelbrechenden Linse L bedeuten.
Man kann nun die Linsendicke d so dimensionieren, dass für das remittierte Licht destruktive Interferenz besteht.
Das ist für 2·d·Δn = ungeradzahlige Vielfache von λ der Fall. Dann gibt es ein OCT-Signal nur, wenn die beiden Stellen O1 und O2 unterschiedlich stark Licht zurückremittieren (und/oder die Streulichtphase an diesen beiden Stellen unterschiedlich ist). Man erhält also ein OCT-Bild, welches polarisationsabhängige Streuunterschiede in zwei um Δz auseinander liegender Punkte abbildet: "Differenz-Polarisationskontrast".
Dasselbe lässt sich auch ohne doppelbrechende Linse erzielen, wie in 7 dargestellt.
Lässt man die doppelbrechende Linse L weg und ordnet man zwischen Polarisator P und Fokussierlinse FL eine Verzögerungsplatte VP, beispielsweise eine λ/4-Platte (nullter Ordnung) an, dann erfährt das Licht bei Hin- und Rücklauf insgesamt eine Phasenverschiebung um, d. h. die beiden Lichtbündel sind in Gegenphase. Sie interferieren nach dem Polarisator P destruktiv. Nun erhält man Polarisationskontrast für Δz ~ 0.
Benutzt man eine λ/4-Platte höherer Ordnung, z. B. eine Platte der Dicke D mit D·Δn = (2·m – 1)·λ/2,wobei die Ordnungszahl > 1 ist, erhält man Polarisationskontrast für um die optische Strecke Δz = D·Δnauseinander liegende Punkte: Differenz-Polarisationskontrast.
Macht man D, und damit die Ordnungszahl und Δz sehr klein, kann man von "Differenz-Polarisationskontrast" sprechen. Solche Verzögerungsplatten kann man natürlich auch – wie in der Polarisationstechnik zur Vermeidung zu dünner Platten üblich – aus zwei um 90° gegeneinander gedrehter Platten ungleicher Dicke realisieren.

Claims

Verfahren zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung durch Abtastung des Objekts mit teilkohärenten Lichtstrahlen und Detektion der Tiefenposition der lichtremittierenden Stellen im Objektinnern mittels Teilkohärenz-Interferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass der das Objekt abtastende interferometrische Messstrahl ein durch Strahlteilung gewonnener Doppelstrahl ist, dessen zwei interferometrische Teilstrahlen von der Strahlteilung zum Objekt und zurück zum Photodetektor im Teilkohärenz-Interferometer insgesamt eine Wegdifferenz von λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon besitzen, so dass bei homogener Objektstruktur die aus den beiden Objektpunkten remittierten Lichtbündel im tomographischen Interferometer miteinander destruktiv interferieren.
Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden das Objekt beleuchtenden interferometrischen Teilstrahlen durch Wellenfrontteilung mit Hilfe eines Strahlteiler-Umlenkspiegels (13) erzeugt werden, der eine Strahlteilerfläche und eine Spiegelfläche besitzt, die gegeneinander um einen Winkel geneigt sind und eine solche Strecke auseinander liegen, dass der Lichtweg für die beiden interferometrischen Teilstrahlen beim zweimaligen Durchgang sich um λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon unterscheidet.
Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden das Objekt beleuchtenden interferometrischen Teilstrahlen durch Wellenfrontteilung mit Hilfe eines Strahlteiler-Endspiegels (23) erzeugt werden, der um eine Achse (24) drehbar ist und eine Strahlteilerfläche sowie eine Spiegelfläche besitzt, die gegeneinander um einen Winkel geneigt sind und eine solche Strecke auseinander liegen, dass der Lichtweg für die beiden interferometrischen Teilstrahlen beim zweimaligen Durchgang sich um λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon unterscheidet.
Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden das Objekt beleuchtenden interferometrischen Teilstrahlen durch Wellenfrontteilung mit Hilfe eines Wollaston-Prismas (18) erzeugt werden, und die Wegdifferenz für diese beiden Teilstrahlen mit Hilfe eines Kompensators auf λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon eingestellt wird.
Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden das Objekt beleuchtenden interferometrischen Teilstrahlen durch Wellenfrontteilung mit Hilfe einer doppelbrechenden Linse (10') erzeugt werden, und die Wegdifferenz für diese beiden Teilstrahlen mit Hilfe eines Kompensators auf λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon eingestellt wird.
Vorrichtung zur Kontrastanhebung in der kohärenztomographischen Abbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden das Objekt beleuchtenden interferometrischen Teilstrahlen durch Wellenfrontteilung mit Hilfe eines piezoelektrisch gesteuerten Strahlteiler-Endspiegels erzeugt werden, der eine Strahlteilerfläche und eine Spiegelfläche besitzt, die gegeneinander im Winkel und im Abstand durch piezoelektrische Säulen so justierbar sind, dass der Lichtweg für die beiden interferometrischen Teilstrahlen beim zweimaligen Durchgang sich um λ/2 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon unterscheidet.
Vorrichtung zur Kontrastabhebung in der kohärenztomographischen Abbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch polarisationsoptische Mittel (L bzw. VP) eine Phasenverschiebung der das Objekt beleuchtenden Strahlen erzeugt wird.