DE19814057B4

DE19814057B4 - Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie

Info

Publication number: DE19814057B4
Application number: DE19814057A
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Prof. Dr. Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JP4304286B2; JPH11325849A; US6377349B1; DE19814057A1

Abstract

Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie mittels eines Interferometers, basierend auf einem spektralinterferometrischen OCT-Verfahren, dessen Messarm beispielsweise mittels eines drehbaren Umlenkspiegels das Objekt abtastet und in dessen Referenzarm ein Referenzspiegel angeordnet ist, wobei die am Interferometerausgang durch Interferenz der Lichtbündel aus Messarm und Referenzarm auftretende Lichtintensität durch ein Spektrometer analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzarm eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Phase des Referenzlichtbündels stufenweise um diskrete Werte verändert.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Oberflächenprofilmessung und optischen Schnittbildgewinnung an transparenten, teilweise transparenten und opaken Objekten. Eine solche Anordnung ist in vielen Bereichen einsetzbar. Derzeit erscheint eine solche Anordnung vor allem in der Medizin von erheblichem Wert, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Zum Stand der Technik: Zwei grundlegende optisch-tomographische Verfahren sind in den neunziger Jahren entwickelt worden. In der optischen Streulicht-Tomographie werden Absorptions- und Streukoeffizienten des abzubildenden Objektbereichs aus der charakteristischen Beeinflussung von Lichtstrahlen ermittelt, die den abzubildenden Objektbereich mehrfach gestreut durchlaufen. Dieses Verfahren liefert Bilder mit schlechter räumlicher Auflösung. Das zweite Verfahren, die Optische Kohärenz-Tomographie (allgemein mit OCT von "Optical Coherence Tomography" bezeichnet) basiert auf Kohärenzeigenschaften des Lichts und liefert hoch aufgelöste Bilder [D. Huang; E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, J. G. Fujimoto: „Optical coherence tomography", Science 254 (1991), 1178–1181]. Eigentlich müsste man OCT als "Optische Kurzkohärenz-Tomographie" bezeichnen; weil es auf die Verwendung von kurzkohärentem Licht, also Licht mit einer deutlichen spektralen Breite und damit kurzer Zeitkohärenz ankommt. Bei der OCT wird das Objekt Punkt für Punkt entlang einer auf der Objektoberfläche in x-Richtung verlaufenden Linie von dem Messstrahl eines Interferometers abgetastet. Unter jedem Oberflächenpunkt dringt der Messstrahl auch in das Objekt (in z-Richtung) ein und das remittierte Licht wird mit dem Referenzstrahl des Interferometers zur Interferenz gebracht. Interferenz entsteht wegen der Verwendung von Kurzkohärenz-Licht nur, wenn Messstrahl und Referenzstrahl innerhalb der Kohärenzlänge gleiche Weglänge haben. Durch kontinuierliches Durchfahren der Messstrecke mit dem Referenzspiegel werden Tiefenposition z und Lichtstreustärke der lichtremittierenden Stellen unter jedem Oberflächenpunkt im Messobjekt registriert. Man kann dies in Analogie zu den bekannteren Ultraschallverfahren auch als "optischen A-Scan" bezeichnen. Der Unterschied zum Ultraschall besteht jedoch darin, dass der Ultraschall-A-Scan die Tiefenposition der Reflexionsstellen von Schallechos aufgrund der Laufzeit aus dem Objektinnern gewinnt, während bei OCT die Tiefenposition über den für Interferenz erforderlichen Weglängenabgleich zwischen Messstrahl und Referenzstrahl bestimmt wird. Aus vielen in x-Richtung zueinander versetzten optischen A-Scans wird schließlich das OCT-Tomogramm Zeile für Zeile zusammengesetzt.
OCT ist inzwischen zu einem erfolgreichen Diagnostikverfahren, insbesondere in der Ophthalmologie, geworden. Ein Nachteil des originalen OCT-Verfahrens besteht allerdings darin, dass der Referenzspiegel mechanisch bewegt werden muss. Dies ist verschleißbehaftet und begrenzt die Schnelligkeit der Bildgewinnung.
Bei der optischen Kohärenz-Tomographie existieren in Bezug auf die Messwerterfassung die zwei unterschiedliche Varianten: Time-Domain- und Frequenc-Domain-Verfahren.
Bei dem sogenannten Time-Domain-Verfahren wird der Referenzarm in der Länge verändert und kontinuierlich die Intensität der Interferenz gemessen, ohne auf das Spektrum Rücksicht zu nehmen. Eine Lösung die auf diesem Verfahren basiert wird beispielsweise von Kulkarni, M. D. und Izatt, J. A. in "Spectroscopic optical coherence tomography" (CLE0'96, Summaries of Papers presented at the Conference an Lasers and Electro-Optics, Vol. 9, 1996, Technical Digest Series, Conference Edition (IEEE Cat. N0.96CH35899) Washington, DC, USA: Opt. Soc. America, 1996, S. 59–60, Conference: Anaheim, CA, USA, 2–7 June 1996; mit INSPEC-Abstract; Accesion Number: 5425299) beschrieben.
Auch die in der DE 197 19 462 A beschriebene Lösung basiert auf dem Time-Domain-Verfahren, bei dem das OCT-Signal mittels eines Interferometers mit einem scannenden bzw. sich drehenden Referenzspiegel erzeugt wird.
Im Gegensatz dazu wird bei dem Frequenc-Domain-Verfahren die Interferenz der einzelnen spektralen Komponenten erfasst, wodurch eine einfache und schnelle simultane Messung erfolgen kann. Die vollständige Information über die Tiefe kann hierbei ohne ein bewegliches Teil bestimmt werden.
Die in DE 44 11 017 C2 beschriebene Lösung betrifft einen optischen Aufbau zur spektroskopischen Bildgebung in stark streuenden Objekten, bei dem Wellenlängen, entweder durch verschiedene Detektorelemente oder zeitlich sequentiell mit einem Element separat detektiert werden, so dass alle spektralen Anteile des Lichts gleichzeitig auf verschiedene vorselektierte Tiefenbereiche des Objektes fokussiert werden. Die hier offenbarte, auf dem Frequenc-Domain-Verfahren basierende Lösung sieht die Verwendung einer Einrichtung zur Modulation der Phasendifferenz in Form eines vibrierenden Reflektors vor, wobei alle spektralen Anteile des Lichts gleichzeitig auf verschiedene vorselektierte Tiefenbereiche des Objektes fokussiert werden.
Das in EP 04 98 541 A1 beschriebene Verfahren betrifft eine Spektrometer-Anordnung mit Phasenmessung zur Oberflächenprofilmessung. Auch bei dieser Lösung, die auf dem Frequenc-Domain-Verfahren basiert, wird ein schwingend bewegter Referenzspiegel verwendet. Diese Lösung ist zwar zur optischen Oberflächenprofilmessung nicht jedoch zur Gewinnung optischer Schnittbilder an transparenten, teilweise transparenten und opaken Objekten geeignet.
Eine Alternative zu dem oben geschilderten optischen A-Scan bildet das spektralinterferometrische Verfahren. Hierbei wird die Tiefenposition z der lichtremittierenden Objektstellen aus dem Wellenlängenspektrum des remittierten Lichts bestimmt, wie in der Literaturstelle L. M. Smith and C. C. Dobson, Applied Optics, 1989, Vol. 28, No. 15, Seiten 3339–3342 beschrieben. Dieses Ver fahren bildet auch die Basis für die österreichische Patentanmeldung A216/93-1 sowie für die deutsche Anmeldung DE 43 09 056 A1 . Hierbei wird der optische A-Scan durch eine Fourier-Transformation der spektralen Intensitätsverteilung des vom Objekt remittierten Lichts gewonnen.
Bei der zuletzt beschriebenen Methode wird das Spektrum des vom Objekt remittierten Lichts beispielsweise mittels eines Dioden-Arrays in der Spektrometerebene gewonnen. Die direkte Anwendung der Fourier-Transformation liefert allerdings nicht den eigentlichen A-Scan, sondern die Autokorrelationsfunktion des A-Scans. Eine strenge Begründung hiefür findet sich beispielsweise in der Literaturstelle: A. F. Fercher, C. K. Hitzenberger, G. Kamp, S. Y. EI-Zaiat: „Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Interferometry", Opt. Commun. 117 (1995), 43–48. Der physikalische Grund hiefür ist die Tatsache, dass das Diodenarray das vom Objekt remittierte Licht nur hinsichtlich seiner wellenlängenabhängigen Intensität (oder deren Quadratwurzel, das ist der Amplitudenbetrag) registriert, die Phase jedoch explizit unberücksichtigt bleibt. Um auch Zugriff zur Phase zu bekommen, ist eine Referenzwelle mit einer Wegdifferenz zum Objekt erforderlich, die die Objekttiefe überschreitet. Dies führt jedoch zu einer erheblichen Vergrößerung der Raumfrequenzen im Spektrum, die vom Diodenarray auch aufgelöst werden müssen. Es wird hier also ein Teil des verfügbaren Auflösungsvermögens des Diodenarrays bloß zur Phasenregistrierung verwendet, ohne die Auflösung der Abbildung zu erhöhen. Da die Auflösung dieses OCT-Verfahrens jedoch durch die Auflösung der verfügbaren Dioden-Arrays bestimmt ist, wird hierdurch eine unnötige Einschränkung der Auflösung der OCT Bilder provoziert.
Demgegenüber verwendet die erfindungsgemäße Anordnung zwar auch eine Referenzwelle, jedoch in einer Weise, die das Auflösungsvermögen des Diodenarrays nicht zusätzlich beansprucht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie zu entwickeln, mit welcher die Eigenschaften des Frequenc-Domain-Verfahrens weiter verbessert und eine wesentliche Erhöhung der Auflösung der Abbildung bei fester Pixelanzahl im Detektor-Diodenarray erreicht werden können.
Die erfindungsgemäße Anordnung basiert auf einem in der Literatur beschriebenen Verfahren [in der Literaturstelle: Fercher, A. F.; Hitzenberger, C. K.; Kamp, G.; EI-Zaiat, S. Y.: „Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Interferometry", Opt. Commun. 117 (1995), 43–48, nach welchem man die Verteilung der lichtstreuenden Stellen in z-Richtung entlang dem Messstrahl – strenger: das Streupotential F(z) – durch Fourier-Transformation der komplexen spektralen Amplitude, also aus spektralem Amplitudenbetrag A(λ) und spektraler Phase Φ(λ) des remittierten Lichtstrahls, erhält. Es müssen also Amplitude und Phase im remittierten Licht für die benutzten Wellenlängen gemessen werden. Hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwar auch ein Referenzstrahl benutzt, dieser benötigt jedoch keine zusätzliche Wegdifferenz zum Objektlicht. Der Referenzstrahl wird in seiner Phase um diskrete Schritte verändert und aus den zugehörigen spektralen Intensitäten im Interferogramm werden Amplitude und Phase des Objektlichts bestimmt. Solche Phasenmessverfahren sind in der digitalen Interferometrie Stand der Technik und beispielsweise in dem Lehrbuch von P. Hariharan: „Optical Interferometry", Academic Press 1985, ISBN 0 12 325220 2, beschrieben.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht daher im wesentlichen aus einem Beleuchtungsstrahl, der das Messobjekt beleuchtet, aus Spektrometergitter oder -prisma bzw. -prismen, welche das vom Messobjekt remittierte Objektlicht spektral trennen, einem in seiner Phase relativ zum Objektstrahl schrittweise veränderbaren Referenzstrahl, der dem Objektstrahl überlagert wird, und einem Detektor-Array, welches die spektralen Intensitäten des Interferogramms bei den verschiedenen Phasenwerten des Referenzlichts misst. Dies wird im Folgenden anhand der Abbildungen näher beschrieben. Die Ziffern bedeuten:

1: zeitlich kurzkohärente, räumlich voll kohärente Lichtquelle
2: Strahlteiler
3: Messstrahl
4: Referenzstrahl
5: drehbarer Umlenkspiegel
6: Fokussieroptik
7: Objekt
8: Dispersionsprisma
9: Spektrometeroptik
10: Detektor-Array
11: Referenzspiegel
12: Piezoversteller (inklusive Steuerelektrik)
13: Rechner
14: Spiegelprisma
15: Dachkantprisma
16: Umlenkspiegel
17: Umlenkspiegel

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in der 1 dargestellt. Eine zeitlich kurzkohärente aber räumlich voll kohärente Lichtquelle 1, beispielsweise eine Superlumineszenzdiode, dient als Lichtquelle. Der von ihr emittierte Lichtstrahl wird durch einen Teilerspiegel 2 in Messstrahl 3 und Referenzstrahl 4 geteilt. Der Messstrahl 3 wird von dem drehbaren Umlenkspiegel 5 auf die Optik 6 gerichtet und von dieser auf das Messobjekt 7 fokussiert. Das vom Messobjekt remittierte Licht läuft über die Optik 6 und den Umlenkspiegel 5 zurück zum Teilerspiegel 2 und wird von diesem zum Interferometerausgang gerichtet. Dort ist ein Spektralphotometer angeordnet, bestehend aus Dispersionsprima (oder alternativ Beugungsgitter) 8, Spektrometeroptik 9 und Detektor-Array 10. Ohne das Referenzlicht registriert das Spektralphotometer die bei der Strahlposition x aus der gesamten beleuchteten Objekttiefe remittierte Lichtintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ:I(x, λ).
Das Referenzlichtbündel 4 wird von dem Referenzspiegel 11 reflektiert und trifft durch den Strahlteiler 2 hindurch ebenfalls am Interferometerausgang auf das Spektrometer bestehend aus Dispersionsprima 8, Spektrometeroptik 9 und Detektor-Array 10. Die Phase P des am Referenzspiegel 11 reflektierten Referenzstrahls 4 kann durch Verschieben des Referenzspiegels 11 mit Hilfe eines Piezoverstellers 12 in diskreten Schritten verändert werden. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der Referenzspiegel 11 vorzugsweise in etwa demselben optischen Abstand vom Strahlteiler 2 aufgestellt werden kann und soll, wie das Objekt 7. Dann bleibt die oben beschriebene Erhöhung der Raumfrequenzen in dem vom Detektor-Array 10 aufzulösenden Spektrum aus.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung wird im Folgenden mit einem aus der Literatur bekannten Phasenmessverfahren der digitalen Interferometrie erläutert. Es gibt mehrere solche Verfahren, einige sind in dem oben zitierten Lehrbuch "Optical Interferometry" beschrieben. Auch zur technischen Realisierung der diskreten Phasenschritte im Referenzarm gibt es mehrere technische Realisierungsmöglichkeiten, beispielsweise auf polarisationsoptischer Basis oder mittels piezoelektrischer Verstellelemente. All dies gehört zum bekannten Stand der Technik und wird hier nicht näher erläutert.
Es können zur Phasenmessung beispielsweise durch Verschieben des Referenzspiegels entlang der Strahlachse mittels des piezoelektrischen Verstellers 12 drei diskrete Einstellungen des Referenzspiegels verwendet werden (alles Folgende erfolgt bei ein und derselben Messstrahlposition x):

(1) Die erste Einstellung kann die Ruhestellung des Piezoverstellers 12 sein. Dieser Einstellung kann der Phasenwert P = 0 zugeordnet werden (da es nur auf die Phasendifferenzen der drei Einstellungen ankommt). Das De tektoren-Array 10 des Spektrometers liefert (bei Strahlposition x und Wellenlänge λ die Intensitäten I(x; P = 0; λ).
(2) Die zweite Einstellung erfolgt nach Verschiebung des Referenzspiegels 11 um U8, was wegen des zweimaligen Durchlaufens des Lichts durch diese zusätzliche Strecke einer Phasenverschiebung um P = π/2 gleich kommt. Das Detektoren-Array 10 des Spektrometers liefert nun die Intensitäten I(x; P = π(2; λ).
(3) Schließlich erfolgt nach einer weiteren Verschiebung des Referenzspiegels 11 um λ/8 noch eine Messung bei P = π. I(x; P = π; λ).

Aus diesen drei Messungen erhält man die Phase Φ(x; λ) der Objektwelle: Φ(x; λ) = arctan {[2·I(x; π/2; λ) – I(x; 0; λ) – I(x; π; λ)]/[I(x; π; λ) – I(x; 0; λ)]}
Den Betrag der Amplitude A(x; 2) schließlich erhält man aus der Intensität I(x; λ):
Somit liegen spektrale Amplitude A(x; λ) und spektrale Phase Φ(x; λ) des remittierten Lichts zur Berechnung des Streupotentials F(x; z) entlang des Messstrahls in der Position x vor: F(x; z) = FT {A(x; λ)·exp(i·Φ(x; λ)}
Aus vielen solchen Messungen bei verschiedenen x-Werten wird mit Hilfe eines Rechners 13 das Tomogramm F(x; z) zusammengestellt.
Schließlich sein noch darauf hingewiesen, dass es bei dieser Phasenmessung nur auf relative Phasendifferenzen zwischen Messlicht und Referenzlicht ankommt. Man kann daher genauso gut die Phase des Referenzlichts unverändert lassen und die erforderlichen diskreten Phasenverschiebungen am Messlicht vornehmen, entweder bevor es auf das Objekt trifft oder auch danach. So zeigt die 2 eine Anordnung, bei der der Messstrahl zunächst von einem Spiegelprisma 14 auf das Dachkantprisma 15 gelenkt wird und von diesem wieder zurück zum Spiegelprisma 14. Der weitere Verlauf des Messstrahls entspricht dem der 1. Das Dachkantprisma 15 ist auf einem Piezoversteller montiert, mit dessen Hilfe die für die Phasenmessung erforderlichen diskreten Phasenverschiebungen nunmehr am Objektlicht ausgeführt werden. Das Referenzlichtbündel 4 wird vom Strahlteilerspiegel 2 über die Umlenkspiegel 16 und 17 zum Spektrometer gelenkt.
Der Vollständigkeit halber sei noch angeführt, dass man mit diesen Verfahren bei opaken Objekten zwar keine Tomogramme jedoch topographische Oberflächenprofile aufnehmen kann.

Claims

Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie mittels eines Interferometers, basierend auf einem spektralinterferometrischen OCT-Verfahren, dessen Messarm beispielsweise mittels eines drehbaren Umlenkspiegels das Objekt abtastet und in dessen Referenzarm ein Referenzspiegel angeordnet ist, wobei die am Interferometerausgang durch Interferenz der Lichtbündel aus Messarm und Referenzarm auftretende Lichtintensität durch ein Spektrometer analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzarm eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Phase des Referenzlichtbündels stufenweise um diskrete Werte verändert.
Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messlichtarm eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Phase des Messlichtbündels stufenweise um diskrete Werte verändert.