DE10053154A1

DE10053154A1 - Optische Kohärenz-Interferometrie und Kohärenz-Tomographie mit räumlich teilhärenten Lichtquellen

Info

Publication number: DE10053154A1
Application number: DE10053154A
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP4366517B2; DE10053154B4; WO2002035179A1; JP2004512516A; EP1328772A1; US7079255B2; US20030076506A1

Abstract

Diese Erfindung betrifft die optische Kohärenz-Interferometrie und optische Kohärenztomographie. Durch Abtastung des Objekts mit Bildern der Lichtquellen können räumlich teilkohärente Lichtquellen, wie transversale Multimoden-Laser, transversal schwingende Superlumineszenz-Dioden, sowie Gasentladungslampen, Lichtbögen und Glühlampen eingesetzt werden. Solche Lichtquellen, beispielsweise Halogen-Glühlampen, emittieren Licht in einem Bereich von lambda = 500 nm bis lambda = 1300 nm mit Kohärenzlängen l¶c¶ = 0,9 mum. Diese Lichtquellen erlauben daher eine erheblich Verbesserung der Meßgenauigkeit der optischen Kohärenz-Interferometrie und optischen Kohärenztomographie.

Description

Diese Erfindung betrifft den Kurzkohärenz-Interferometrie "z-Scan" oder Tiefen-Scan bei der Messung der Tiefenposition lichtremittierender Objektstrukturen in der optischen Kohärenz-Interferometrie (= Partial Coherence Interferometry: PCI) und in der optischen Kohärenztomographie (= Optical Coherence Tomography: OCT) durch Abgleich der optischen Länge des Referenzarms eines Zweistrahl-Interferometers auf die optische Länge des Meßarms mittels der am Interferometerausgang auftretenden Interferenzen.

Stand der Technik

In der optischen PCI und OCT werden Tiefenpositionen lichtremittierender Objektstrukturen mittels Kurzkohärenz-Interferometrie durch Abgleich der optischen Länge des Referenzarms eines Zweistrahl-Interferometers auf die Länge des Meßarms gemessen. Hierbei bildet das Objekt 1 einen Spiegel eines Zweistrahl-Interferometers, beispielsweise eines Michelson- Interferometers, wie in der Abb. 1 angedeutet. Das Interferometer wird mit einem Lichtstrahl 2 kurzer Kohärenzlänge aus einer Kurzkohärenz-Lichtquelle 3, beispielsweise einer Superlumineszenz-Diode, beleuchtet. Der Strahlteiler 4 teilt den beleuchtenden Lichtstrahl in Meßstrahl und Referenzstrahl. Der am Strahlteiler 4 gespiegelte Teil des Lichtstrahls 2 läuft als Referenzstrahl 5 zum Referenzspiegel 6 des Interferometers. Der den Strahlteiler durchsetzende Anteil des Lichtstrahls 2 bildet der Meßstrahl 7, welcher von der Optik 13 auf das Objekt 1 fokussiert wird.

Bei dem sogenannten "z-Scan" wird der Referenzspiegel 6 entlang der Achse des Referenzstrahls 5 bewegt. Wenn der Abstand des Referenzspiegels 6 vom Strahlteiler 4 innerhalb der Kohärenzlänge l_c des Lichtstrahls 2 gleich dem Abstand einer lichtremittierenden Stelle 8 im Objekt 1 ist, tritt am Photodetektor 10 am Interferometerausgang Interferenz auf. Durch kontinuierliches Verschieben des Referenzspiegels 6 wird mit Hilfe der dann am Photodetektor 10 auftretenden Interferenzen die z-Position lichtremittierender Stellen im Objekt registriert. Die Bestimmung der z- Position erfolgt daher mit einer Genauigkeit, die etwa durch die Kohärenzlänge l_c ≅ λ²/Δλ des benutzten Lichts gegeben ist; hier ist λ die mittlere Wellenlänge und Δλ ist die Wellenlängen-Bandbreite der benutzten Strahlung. Zur Erfassung der x-Koordinate wird in der OCT entweder das Objekt 1 in x-Richtung bewegt oder, wie in der Abb. 1 gestrichelt angedeutet, der Meßstrahl tastet die x-Koordinaten am Objekt 1 mittels eines rotierenden oder schwingenden Drehspiegels 11 ab.

Zu diesem grundsätzlichen Verfahren der OCT gibt es eine Reihe von Modifikationen; einige dieser Modifikationen sind in der Übersichtsarbeit: A. F. Fercher: Optical Coherence Tomography; J. Biomed. Opt. 1 (1996) 157473 beschrieben. Allen diesen Modifikationen ist gemeinsam, daß sie Lichtquellen mit räumlich kohärentem Licht benötigen.

Räumlich kohärente Lichtquellen haben die Eigenschaft, daß auch ihre zeitliche Kohärenz und damit die Kohärenzlänge des emittierten Lichts relativ groß ist, was aber nachteilig bei deren Einsatz in der PCI und der OCT ist. Typische Wellenlängen-Bandbreiten der in der PCI und OCT benutzten Superlumineszenz-Dioden beispielsweise liegen derzeit bei 30 nm. Das ergibt bei einer mittleren Wellenlänge von typischerweise 800 nm eine Kohärenzlänge von ungefähr 21 Mikrometern. Damit ist aber die Genauigkeit bei der Bestimmung der z-Position, verglichen mit anderen interferometrischen Verfahren, ziemlich schlecht.

Umgekehrt haben Lichtquellen mit kurzer Kohärenzlänge auch geringe Raumkohärenz. Es gibt zwar auch Laser-Lichtquellen mit hoher räumlicher und sehr kurzer zeitlicher Kohärenz, wie den Titan-Saphir-Laser; dieser ist jedoch exorbitant teuer und repräsentiert eine aufwendige Technologie.

Zu den Lichtquellen mit besonders kurzer Kohärenzlänge zählen einerseits transversale Multimodenlaser und transversale Multimoden-Leuchtdioden (Light Emitting Diodes: LED's), sowie andererseits die breitbandig spontan emittierenden Lichtquellen. Ferner hätten auch transversal schwingende Superlumineszenzdioden eine extrem kurze Kohärenziänge. Solche transversal schwingende Superlumineszenzdioden erhält man, wenn man die aktive Zone dieser Lichtquellen dicker ausbildet, was auch deren Ausgangsleistung deutlich größer machen würde (mangels Anwendungsmöglichkeit sind diese bisher jedoch nicht kommerziell erhältlich). Alle diese Lichtquellen besitzen nur teilweise Raumkohärenz. Die spontan emittierenden Lichtquellen erzeugen Licht außerdem nicht auf Basis der induzierten Emission, wie Laser, Superlumineszenz-Dioden und LEDs. Zu diesen Lichtquelle zählen Glühlampen, Lichtbogenlampen und Gasentladungslampen. Halogen-Glühlampen beispielsweise emittieren Licht in einem Bereich von λ = 500 nm bis λ = 1300 nm. Dem entsprechen Kohärenzlängen von l_c = 0.9 µn. Auch diese Lichtquellen besitzen nur teilweise Raumkohärenz. Deren Verwendung in der OCT würde beispielsweise einerseits die erreichbare z-Auflösung deutlich verbessern und andererseits wegen der einfachen Handhabbarkeit und Billigkeit dieser Lichtquellen PCI- und OCT-Geräte auch verbilligen.

Es ist daher die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Anordnungen zur Durchführung des Kurzkohärenz-Interferometrie "z-Scan" oder Tiefen- Scan bei der Messung der Tiefenposition lichtremittierender Objektstrukturen in der optischen Kohärenz-Interferometrie und in der optischen Kohärenztomographie durch Abgleich der optischen Länge des Referenzarms eines Zweistrahl-Interferometers auf die optische Länge des Meßarms mittels der am Zweistrahl-Interferometerausgang auftretenden Interferenzen anzugeben, welche die Verwendung von räumlich teilkohärenten Lichtquellen erlauben. Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der Abb. 1 bis 3 erklärt.

Abb. 1 beschreibt den Stand der Technik.

Abb. 2 beschreibt eine erfindungsgemäße Anordnung.

Abb. 3 beschreibt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung.

Die Zahlen bedeuten: 1 Objekt
2 Lichtstrahl kurzer Kohärenzlänge
3 Kurzkohärenz-Lichtquelle
4 Strahlteiler
5 Referenzstrahl
6 Referenzspiegel
7 Meßstrahl
8 lichtremittierenden Stelle im Objekt
9 Optik
10 Photodetektor
11 Drehspiegels
12 Optik
13 Optik
14 primäre räumlich teilkohärente Lichtquellen
15 Lichtquellenbild
16 Lichtquellenbild
17 Optik
18 Referenzstrahl
19 primäre räumlich teilkohärente Lichtquelle
20 sekundäre räumlich teilkohärente Lichtquelle
21 Lochblende
22 Multimoden-Lichtleitfaser
23 Austrittsfläche der Multimoden-Lichtleitfaser
24 Verbindung zwischen Optik 17 und Referenzspiegel 6
25 Schrittmotor
26 Verschiebetisch
27 Schrittmotor

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden räumlich teilkohärente Lichtquellen wie transversale Multimoden-Laser, transversal schwingende Superlumineszenz-Dioden, sowie Gasentladungslampen, Lichtbögen und Glühlampen benutzt und das Objekt mit dem Bild 15 dieser primären Lichtquellen 14 oder der durch Abbildung daraus abgeleiteten sekundären Lichtquelle (20 oder 23) abgetastet (siehe Abb. 2).

Um das zu erreichen, wird die Lichtquelle über den Meßlicht-Strahlengang und über den Referenzlicht-Strahlengang in gleichem Maßstab und deckungsgleich auf den Photodetektor 10 abgebildet. Hierbei müssen optischer und geometrischer Lichtweg vom Strahlteiler zum Referenzspiegel als auch zum Objekt gleich lang sein und ferner müssen im Referenzstrahl und im Meßstrahl Anordnungen mit gleichen optischen Elementen mit gleichen Brennweiten und Glaswegen und gleichen Abständen dieser optischen Elemente im Referenzstrahl und im Meßstrahl vom Strahlteiler 4 benutzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat einige Ähnlichkeit mit dem Linnik Interferenz- Mikroskop [beschrieben beispielsweise in der Monographie W. H. Steel: Interferometry. Cambridge University Press]. Beide Verfahren bilden die Lichtquelle auf Objekt und Referenzspiegel und weiter auf den Intec-Ferometer-Ausgang ab. Das Linnik Interferenz- Mikroskop jedoch macht die Form der Objektoberfläche in bezug auf die Form des Referenzspiegels durch Interferenzstreifen im Bild des Objekts am Interferometerausgang sichtbar. Es kann daher nur Oberflächen messen. Das hier beschriebene Gerät hingegen tastet das Objekt mit dem Bild der Lichtquelle ab und synthetisiert ein Bild aus den dabei am Interferometer-Ausgang gewonnenen Interferenz-Signalen. Es können Oberflächen- und Tiefenbilder gewonnen werden.

Abb. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung am Beispiel eines Michelson- Interferometers. Das hier beschriebene Verfahren kann jedoch auch bei allen anderen Zweistrahl-Interferometern benutzt werden, wobei dann die Begriffe "Meßstrahl" und "Referenzstrahl" sinngemäß gelten.

In der Abb. 2 befindet sich eine räumlich teilkohärente primäre Lichtquelle 14 am Interferometereingang. Die Lichtquelle 14 wird durch den Strahlteiler 4 hindurch von den Optiken 12 und 13 einerseits durch den fokussierten Meßstrahl 7 in das Objekt 1 im Meßarm abgebildet und andererseits von den Optiken 12 und 17 über den Strahlteiler 4 durch den von der Optik 17 fokussierten Referenzstrahl 18 auf den Referenzspiegel 6 im Referenzarm. Die Optiken 13 und 17 befinden sich im selben Abstand vom Strahlteiler und sind gleich aufgebaut; sie besitzen gleiche Brennweite und gleiche Glaswege für die sie durchlaufenden Lichtstrahlen. Die Lichtquellenbilder 15 und 16 werden von diesen Optiken ein zweites Mal über den Strahlteiler 4 und die Optik 9 auf den Photodetektor 10 abgebildet. Bedingt durch die gleichen optischen Eigenschaften der Optiken 13 und 15 und deren gleiche Abstände vom Strahlteiler bleiben die über Referenzarm und Meßarm auf dem Photodetektor 10 enstehenden Bilder der Lichtquelle 14 räumlich zueinander kohärent.

In der Abb. 2 ist zwar eine Abbildung der Lichtquelle 14 auf den Referenzspiegel 6 und in das Objekt 1 angedeutet, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Erforderlich ist hingegen eine deckungsgleiche Abbildung der Lichtquelle 14 sowohl über den Referenzarm als auch über den Meßarm des Interferometers auf den Photodetektor 10. Andernfalls treten dort keine Interferenzen auf. Allerdings ist ohne Abbildung in das Objekt 1 eine Zuordnung der Photodetektor-Signale zu einem bestimmten Objektbereich nicht ohne weiteres möglich. Vielmehr wird ein bestimmtes Photodetektor-Signal dann eine gewisse Mittelung über einen Objektbereich repräsentieren.

An der Stelle der Lichtquelle 14 kann auch ein Bild 20 einer räumlich teilkohärenten Lichtquelle 19 benutzt werden, wie das in dem gestrichelten Kasten A der Abb. 2 angedeutet ist. Ein solches Bild 20 einer räumlich teilkohärenten Lichtquelle 19 wird hier als "sekundäre Lichtquelle" bezeichnet. Zur Ausschaltung überflüssiger Lichtquellenanteile kann eine Lochblende 21 an der Stelle der sekundären Lichtquelle 20 dienen. Ferner kann die sekundäre Lichtquelle 20 auch mittels einer Multimoden-Lichtleitfaser 22 an den Interferometereingang, also an die Stelle der Lichtquelle 14, übertragen werden, wie das in dem gestrichelt gezeichneten Kasten B angedeutet ist. Als sekundäre räumlich teilkohärente Lichtquelle fungiert nun die Helligkeitsverteilung der Austrittsfläche 23 der Multimodenfaser 22. Schließlich kann die Lichtquelle 14 oder 19 auch das Austrittsfenster eines transversalen Multimoden-Lasers oder einer transversale Superlumineszenz-Diode sein.

Bei der in der Abb. 2 dargestellten Anordnung wird der z-Scan durch Bewegen des Objekts 1 in z-Richtung erreicht. Auch die für OCT erforderliche Abtastung in x-Richtung kann durch Bewegen des Objekts 1 in x-Richtung realisiert werden. Alternativ kann der x- Scan auch hier mit Hilfe eines Drehspiegels 11 erreicht werden (in Abb. 2 gestrichelt eingezeichnet).

Die Realisierung des z-Scan durch Verschiebung des Objektes 1 selbst ist zumindest bei größeren Objekten ungünstig. Eine Alternative ist in der Abb. 3 dargestellt.

Hier wird der z-Scan durch eine Bewegung der Optik 13 entlang der optischen Achse um Δz bewerkstelligt. Die Optik 13 ist hierzu beispielsweise auf einem Verschiebetisch 26, der von einem Schrittmotor 27 angetrieben wird, montiert. Um Zeitkohärenz zwischen dem Meßstrahl 7 und und dem Referenzstrahl 18 zu gewährleisten, müssen die Optiken 13 und 17 synchron um denselben Betrag Δz bewegt werden. Ferner muß mit der Optik 17 auch der Referenzspiegel 6 synchron um Δz bewegt werden. Diese gemeinsame Bewegung kann mit Hilfe einer mechanischen Verbindung 24 zwischen Optik 17 und Referenzspiegel 6 sichergestellt werden, die mittels eines Schrittmotors 25 gesteuert wird. Da der vom Strahlteiler 4 kommende Referenzlichtstrahl 5 hier parallel verläuft, ändert sich hiedurch nichts an der Raumkohärenz der Bilder der Lichtquelle 14.

Wegen der geometrisch optischen Strahlbrechung an der Objektoberfläche können von dem Betrag des z-Scan abweichende Bewegungen des Lichtquellenbilds 15 im Objekt auftreten. Beispielsweise verschiebt sich die Position des Lichtquellenbilds 15 im Objekt bei ebener Objektoberfläche um einen Faktor n.n_G stärker (n ist der Phasenindex, na ist der Gruppenindex des Objekts 1), als es der Verschiebung der Optik 13 entspräche. Um dies auszugleichen, wird die Optik 13 nur um Δz/(n.n_G) verschoben. Andere Korrekturen sind bei gekrümmten Objektoberflächen erforderlich.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung des Kurzkohärenz-Interferometrie "z-Scan" oder Tiefen- Scan bei der Messung der Tiefenposition lichtremittierender Objektstrukturen in der optischen Kohärenz-Interferometrie und in der optischen Kohärenzromographie durch Abgleich der optischen Länge des Referenzarms eines Zweistrahl-Interferometers auf die optische Länge des Meßarms mittels der am Zweistrahl-Interferometerausgang auftretenden Interferenzen, dadurch gekennzeichnet, daß räumlich teilkohärente Lichtquellen wie transversale Multimoden-Laser, transversal schwingende Superlumineszenz-Dioden, sowie Gasentladungslampen, Lichtbögen und Glühlampen benutzt werden und das Objekt mit dem Bild (15) dieser primären Lichtquellen (14, 19) oder der durch Abbildung daraus abgeleiteten sekundären Lichtquelle (20 oder 23) abgetastet wird.

2. Anordnung zur Messung der Tiefenposition lichtremittierender Objektstrukturen in der optischen Kohärenz-Interferometrie und in der optischen Kohärenztomographie mittels Kurzkohärenz-Interferometrie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14, 19, 20,23) über den Meßlicht-Strahlengang und über den Referenzlicht- Strahlengang in gleichem Maßstab und deckungsgleich auf den Photodetektor (10) am Zweistrahl-Interferometerausgang abgebildet wird.

3. Anordnung zur Messung der Tiefenposition lichtremittierender Objektstrukturen in der optischen Kohärenz-Interferometrie und in der optischen Kohärenztomographie mittels Kurzkohärenz-Interferometrie nach den obigen Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß optischer und geometrischer Lichtweg vom Strahlteiler zum Referenzspiegel als auch vom Strahlteiler zum Objekt gleich lang sind und ferner im Referenzstrahl und im Meßstrahl Anordnungen mit gleichen optischen Elementen (13, 17) mit gleichen Brennweiten und Glaswegen und mit gleichen Abständen dieser optischen Elemente im Referenzstrahl und im Meßstrahl vom Strahlteiler (4) eingesetzt werden.