CN113614484A - 控制基于半导体激光二极管的扫频源干涉仪系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统(SS＝扫频源)的方法，该干涉仪系统实现广泛的应用并且适合眼科中的应用，特别适用于成像和确定眼睛的生物计量测量值。在根据本发明的方法中，借助周期性电流调制设置单独半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线。在此适配参数：中心波长、扫描率、扫描范围、眼睛处光功率和相干长度，以使该方法适合通过全眼扫描进行成像和生物计量应用。提出的基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统特别设置用于眼睛的生物计量测量。因为展示优选基于光学相干断层扫描记录，所以主要应用在于眼科诊断、治疗和手术干预的准备及其后续检查。

Description

控制基于半导体激光二极管的扫频源干涉仪系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统(SS＝sweptsource(扫频源))的方法，该系统实现广泛的应用。该系统还应适合眼科中的应用，特别适用于成像和确定眼睛的生物计量测量值。
背景技术
干涉仪是一种将干涉用于精密测量的光学技术设备。所有改变波的有效路径长度进而改变叠加的波的特性的效应都被测量。
对此的实例是：改变两个叠加的光路径之一的长度以测量长度，改变折射率以测量材料特性或引力波检测器中的测试物间的间距的最小变化。
与之相对应，根据现有技术已知大量解决方案。
作为成像方法的特殊的干涉计量应用是光学相干断层扫描(OCT＝opticalcoherence tomography(光学相干断层成像))。借助于OCT系统可以获得微米分辨率的散射材料的2维和3维的记录。OCT的主要应用领域是医学，尤其是眼科学。
在OCT方法中，借助于干涉仪将相干光用于在反射和散射样品处进行距离测量和成像。在人眼处，OCT方法在深度扫描时由于在光学边界面处出现的折射率变化和体积散射而提供可测量到的信号。光学相干断层扫描是非常灵敏和快速的方法。
在此，为了还更有效地设计测量值检测，近年来已经使用基于所谓的“扫频源”技术的OCT系统(SS-OCT)。在此调谐光源的频率并由此产生深度信号。这种技术允许在人眼处执行全眼扫描。当然，为此需要对照明光源进行相应的选择和控制。
当前的SS-OCT系统使用复杂的微机电激光二极管系统(MEMS)，以便以高的重复率(在kHz到MHz的范围内)在直至150nm的宽的波长范围中调谐具有高相干长度(在cm到m的范围内)的光谱激光线。这对于经过大测量深度非常快速地以高轴向分辨率获得尤其透明有机组织(例如人眼)中的高分辨的图像是必要的。
在光学装置中，相干长度是来自同一源的两个光束可能具有的最大的路径长度或运行时间差，以在它们叠加时还生成(空间和时间方面)稳定的干涉图案。
OCT系统中的检测当然无法以无噪声的方式进行。因此，只有当样品提供大于OCT系统中的背景噪声的信号时，才可以检测到样品中的反射。
这种仍可检测到的最小反射是OCT系统的非常重要的特征变量，并且被称为灵敏度，并且通常以dB为单位进行说明。
在考虑灵敏度的情况下，还需考虑所谓的“灵敏度滚降(Sensitivity Roll-Off)”标准，其被理解为随着参考臂与样品臂之间的长度差的增加而减小干涉信号的幅度。
对于在此描述的OCT系统，限定-6dB的灵敏度(考虑“灵敏度滚降”标准)。
但是，根据已知的现有技术，还已经存在使用其他激光二极管的努力和尝试，例如使用VCSEL(垂直腔面发射激光器)。作者Garrett D.Cole在[1]的文章“Ultra-WidelyTunable VCSELs(超宽可调VCSEL)”中可以获得概述。
为此，例如参考飞利浦的单模(single-mode，也为mono-mode)的VCSEL激光二极管，其技术数据在[3]中描述。这种能以2nm调谐的VCSEL激光二极管可以在中心波长有微小不同的情况下在10℃-40℃的温度范围内以热电方式运行。
由作者Sucbei Moon和Eun Seo Choi在[4]中描述了基于VCSEL激光二极管的低成本OCT系统，该系统在波长为大约1300nm的情况下可短暂地通过电流脉动或温度冲击进行调谐。但是，为了在测量眼睛时排除运动伪影，提出在10-100kHz的范围内的非常高的激光扫描率(重复率)。然而，由于玻璃体中的吸收，用于具有1300nm波长的低成本OCT系统的所公开的设计不适于全眼测量。此外，在使用1300nm的波长的情况下，必须实现至少25nm(更好为75nm)的扫描范围(调谐范围)，以便在空气中实现所需的30μm(更好为10μm)的分辨率。但不能预期这种扫描范围。因此，在此提到的参数组合不太适合可构建满足有竞争力的系统要求的光学生物计量仪。
在DE 10 2008 028 312 A1中描述了将VCSEL激光二极管用于眼部测量的应用。在此，激光二极管光谱以窄带在波长约为850nm的情况下以典型100mm的相干长度和大约0.007nm的光谱宽度运行，进而提供对于测量整个眼睛长度足够的扫描深度。然而，为了在波长为850nm时在3nm的最大光谱调谐的情况下可以实现所需要的测量精度，能够以在小于10Hz的范围内缓慢的激光二极管调谐为基础。借此，在此得到附加地使用位置识别系统的必要性，该位置识别系统在缓慢调谐的激光二极管中是必要的，以能够以被调谐的激光的相对缓慢的重复率测量运动物体、如人眼。
在WO 2018/119077 A1中描述了一种用于眼科应用的小型化的廉价的OCT系统。特别地，该系统设置用于测量视网膜的厚度，其中该系统由于其紧凑性和轻便性而适合使患者可以在家中自己实施测量。此处描述的SS-OCT系统基于VCSEL激光二极管，通过周期性改变电流来控制该激光二极管。由于所使用的参数，借助所描述的系统无法进行全眼扫描。代替于此，描述了其中光学装置包含光学扫描元件以实现光源可以印到视网膜上的不同地点的系统。
文献：
[1]Cole et.al.；“Ultra-Widely Tunable VCSELs(超宽可调VCSEL)”；
http://www.aomicro.com/tech/Cole_TUM_27_Sep_2012.pdf
[2]Nanoplus；“DFB laser diodes from 760nm to 830nm(从760nm到830nm的分布反馈激光二极管)”；
https://nanoplus.com/fileadmin/user_upload/Data_sheets/nanoplus_DFB_760-830nm.pdf
[3]Philips,760/763nm single-mode VCSEL(760/763nm的单一模式VCSEL)；
http://www.photonics.philips.com/pdf/ULM76X-SingleMode_TO5.pdf
[4]Moon et.al.；“VCSEL-based swept source for low-cost opticalcoherence tomography(用于低成本光学相干断层扫描基于VCSEL的扫频源)”,BiomedicalOptics Express(生物医学光学期刊),Vol.8,No.2,Feb 1,2017,p.1110-1121；
[5]Flogan B.；“Operation of VCSELs Under Pulsed Conditions(脉冲条件下VCSEL的运行)”,VIXAR Application Note(应用说明),21.January2010；
[6]Bublitz et al,“SS-OCT-lnterferometry for measuring a sample(用于测量样品的SS OCT干涉法)”；
US 8,632,181 B2
[7]Choi W,et al,“Phase-sensitive swept-source optical coherencetomography imaging of the human retina with a vertical cavity surface-emitting laser light source(垂直腔面发射激光光源对人视网膜的相位敏感扫描源光学相干层析成像)”；Opt Lett.(光学通讯)2013；38(3):338-340。
发明内容
本发明所基于的目的是，开发一种用于控制基于半导体激光二极管的简单的SS干涉仪系统的方法，该干涉仪系统适合成像和在眼睛处进行生物计量测量。在此，以如下方式优化用于控制激光束源的参数，即可以在相干长度大且重复率相对高的情况下调谐宽的波长范围。在此，眼睛的生物计量测量尤其应可借助于全眼扫描实现。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现。优选的改进方案和设计方案是从属权利要求的内容。
根据本发明，该目的通过以下方法实现，即借助于周期性电流调制设置简单的半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率并在宽的波长范围中调谐高度相干光谱激光线。在此适配参数：中心波长、扫描率、扫描范围、眼睛处光功率和相干长度，以使该方法适合通过全眼扫描进行成像和生物计量应用。
第一组有利设计方案涉及所使用的半导体激光二极管的配置或适配，例如涉及激光二极管的类型和所使用的表面发射器、它们的有源区的配置和发射几何体的优化。
第二组有利设计方案涉及半导体激光二极管的控制、特别是周期性电流调制和/或限定的nm/K梯度的设置和稳定，其中可以使用珀耳帖(Peltier)元件。
在用于控制基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统的方法中，其中根据本发明借助于周期性电流调制设置半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率并在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线，在此尤其设有以下参数：
-在至少20mm的相干长度的情况下，
-在600nm至1400nm的范围内的中心波长，
-在100Hz至100kHz的范围内的扫描率，
-在3nm至75nm的范围内的扫描范围，和
-在50μW至20000μW的范围内的眼睛处光功率。
关于基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统的光功率提出：在给定波长下在患者眼睛处尽可能提供最大允许的光功率，以便在遵守安全规定的情况下实现最大的信号/噪声比。由于射束源(半导体激光二极管)的大约50％的功率在干涉仪的光学系统中被考虑为损耗，所以相应地规划半导体激光二极管的较高的功率：
中心波长λ 眼睛处的最大光功率 半导体激光二极管功率
600nm 390μW >0.8mW
800nm 620μW >1.2mW
1050nm 1.95mW >4mW
1300nm 15.6mW >31mW
光功率涉及例如在激光标准DIN EN 60825-1中定义的、要施加在人眼处的辐射功率。光功率与激光束的波长和时间上的成型相关。为简单起见，此处列出的激光功率涉及二极管和激光类别1的cw运行。对于脉冲辐射和其他激光类别，可以使用其他脉冲峰值。必要时，还必须考虑国家特定的标准。
所提出的基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统特别适合眼睛的生物计量测量。因为展示优选基于光学相干断层扫描记录，所以主要应用在于眼科诊断、治疗和手术干预的准备及其后续检查。
附图说明
下面根据实施例更详细地描述本发明。在此，英语和德语术语被同义地使用。为此示出：
图1示出用于借助于周期性电流调制控制根据本发明的基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统的原理图，以及
图2示出由SS干涉仪系统的半导体激光二极管发射的辐射的一些另外的光学参数。
具体实施方式
基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统由半导体激光二极管与控制单元构成，其中控制单元设计用于，借助于周期性电流调制控制半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线。
为此，控制单元设计用于周期性的电流调制，以改变电流脉动的时间和幅度。
例如将VCSEL激光二极管用作半导体激光二极管，VCSEL激光二极管能基于GaAs晶片表面发射器或基于具有多量子阱结构的单模AlGaInP晶片。
特别地，根据本发明提出：仅使用单模VCSEL激光二极管。不设置多模VCSEL激光二极管。
单模VCSEL激光二极管的特征在于非常小的瞬时线宽、大的相干长度和针对生物计量测量所需的测量深度。在此，单模VCSEL激光二极管应当具有至少20mm、但尤其是60mm的相干长度。这确保可以可靠地测量非常长的眼睛、如在高度近视的情况下的眼睛。
因此，该系统也适合于近视系列检查，如其例如当前在亚洲范围内进行的那样，以便遏制人群中的近视。
应以典型100MHz的激光线光谱宽度使用单模VCSEL激光二极管。例如，Trumpf公司可提供相应的激光器。
为了设置和稳定一个限定的nm/K梯度，可以将VCSEL激光二极管嵌入活性半导体材料中，其中相应地设计活性半导体材料的尺寸并将其匹配于邻接的半导体材料层。为了优化产生的散热体，可以使用导热材料和/或珀耳帖元件。
特别地，VCSEL激光二极管的构造可以设计成能够修改其有源区，以在眼睛处实现直至20mW的连续光功率。
根据本发明，设有波长在600至1400nm范围内、特别是约1050nm的VCSEL激光二极管。
在此要注意的是：对于相同的分辨率，较短的波长需要较小的调谐范围(SweepRange(扫描范围))，并且重复率尤其是该技术中最大的技术挑战。因此，例如600nm的红色光谱范围内和例如700nm的IR(红外)范围内的短波长最适合于此。例如，具有多量子阱结构且波长为690nm的单模AlGaInP激光二极管是适合的。此外，具有840nm波长的VCSEL激光二极管可用并且良好适合。
当前，波长约为1050nm的VCSEL激光二极管更适合于白内障穿透或进入组织中的更深的穿入深度，进而是优选的。
此外，根据本发明设有具有100Hz-100kHz、特别是1kHz的重复率(sweep rate(扫描率))的VCSEL激光二极管。在此，与[6]呈鲜明对比，根据本发明的SS干涉仪系统不需要为了能够评估测量结果的、眼睛的任何附加运动信号。
在此需考虑：1kHz的重复率足以补偿运动伪影，并且在重复率尽可能小的情况下，可以在激光二极管给定有限的功率下实现更高的信噪比(Signal Noise Ratio(信号噪声比))。尤其将1-3kHz的重复率设为生物计量的眼测量的最佳区域。
还需考虑的是，瞬时线宽、相干长度和测量深度与A扫描的调谐速度和重复率存在相关性。
根据本发明，提出这种相关性的优化。在此，在前景中存在对于全眼生物计量的60mm的足够的测量深度。
为了A扫描的调谐速度/重复率选择至少1KHz的频率，以便在任何情况下都可以排除眼睛的运动伪影。如果由此测量深度不低于60mm，则为生物计量的测量系统的设有直至100kHz的提高。
在选择和控制合适的VCSEL激光二极管时的另一技术挑战可能在于波长变化的现有的温度梯度。对于5nm的可调谐性，与之相应会需要50K的温度变化。
为了在大约1kHz的重复率中实现大的调谐范围，对市售的VCSEL激光二极管必须进行修改，或者其必须以脉冲方式运行。为此，现有的控制单元设计用于为了周期性电流调制改变时间和幅度。
为此，根据本发明提出：周期性电流调制(电调谐)与波长变化的方向无关地进行，从而使用升频(up)和降频(down)扫描。
特别地提出：在借助于电流脉冲调谐波长时，波长的升频扫描和降频扫描都用在根据本发明的简单的扫频源VCSEL生物计量仪中。在此，随着电流的增加，设置更长的波长。因此，在降频扫描时需注意：波长在此在电流脉冲间隔中缩短。
普遍已知：可以实现大约0.1nm/K的温度梯度。因此，对于5nm的可调谐性需要50K的温度变化。
根据本发明提出：该梯度增加到大于0.1nm/K，优选增加到大约0.3至0.5nm/K。
这通过如下方式实现：选择适配的活性半导体材料。然而，也可行的是：将VCSEL激光二极管附加地嵌入活性半导体材料中。
例如，波长在600nm和1400nm之间的VCSEL激光二极管作为表面发射器基于GaAs晶片。
此外，在690nm的波长和至少0.25nm/K的大的温度梯度的情况下提出使用具有多量子阱结构的单模AlGaInP激光二极管。
为了优化散热体以实现在VCSEL激光二极管的可能的运行温度内(例如-20至+70℃)的大的温度梯度，例如提出将高导热材料、如铜、铟等耦联至半导体材料。
除了根据本发明的单模VCSEL激光二极管的纯电实施的波长调谐之外，也还设有纯电波长调谐与附加热波长调谐的组合。
为此，电受控的模块与散热体同步运行，散热体以>100Hz、尤其是>1kHz的尽可能高的重复率在例如100K的一定范围内调整单模VCSEL激光二极管的原则上-80℃到+180℃的环境温度。借此可以扩展扫描范围(以nm为单位的波长调谐范围)，进而提高生物计量仪的分辨率。
附加地，可以借助珀耳帖元件进行主动冷却。
然而由于附加的冷却会导致冷凝水积聚在VCSEL激光二极管的出射窗处，所以根据本发明提出为VCSEL激光二极管的出射窗设置加热装置。
如前所述，波长约为1050nm的VCSEL激光二极管更适合用于穿透白内障或进入组织中的更深的穿入深度。
在此，根据本发明，在眼睛处设有在200μW到最大2000μW的范围、尤其大于1000μW(在波长为1050nm的情况下)的范围中的光功率。
在此需考虑：仅在激光安全规定的范围内才应实现较高的光功率。为了实现较高的光功率需要改变VCSEL激光二极管的设计。为此，例如可行的是：改变VCSEL激光二极管的有源区或其他参数，以实现直至2mW的光功率。
根据本发明，为了构建基于VCSEL的SS干涉仪系统而提出：借助于自由辐射或光纤的光学装置实现将由半导体激光二极管发出的激光辐射耦合输入到干涉仪中。为此需要：相应地设计VCSEL激光二极管的构造。在这两种情况下，在给定功率下，射束质量是重要标准，因为其限定了可用于执行测量的激光功率。
尤其在基于纤维的设计中需确保实现尽可能无损的耦合输入。在纤维直径为5μm的单模纤维中，可以在NA＝0.14的数值孔径下实现具有<10％的损失的几乎无损耗的耦合输入。通常提出进入芯直径为3至9μm的单模纤维中的耦合输入。
本发明的另一设计方案涉及产生在波长方面调节的电流脉冲。通过评估具有不同光谱表现的两个光电二极管的电流，能够以简单的方式借助模拟电子装置产生波长的测量信号，并用作反馈系统。
下面示例性地针对1050nm左右的波长范围进行描述。
在该波长范围内，InGaAs光电二极管的光谱灵敏度变化仅为每100nm约+0.1A/W，并且在Si光电二极管的情况下该变化为每100nm约-0.5A/W。当然，激光的功率的波动相同地作用于两个光电二极管。因此，在以InGaAs光电二极管的电流对Si光电二极管的电流进行适当归一化后，仅保留所得电流与波长的相关性，该相关性为每100nm大约0.4A(4μA/nm)。现在能使用测量信号形成电流脉冲，以实现波长变化的期望的变化曲线。
优选地，产生波长随时间的变化曲线，该变化曲线对应于波数随时间的等距变化。因此，干扰信号(频率空间)中的光谱信息可以直接通过傅立叶变换变换为位置空间中的测量结果，而无需进一步修正。
可以通过如下方式进行电流脉冲的适当的成形，即将与波长相关的信号数字化并进行算法处理(例如通过滤波和取平均进行改进)。随后，迭代地将电流脉冲变形直至达到期望的结果。
除了电流脉冲的适当成形直到达到波数随时间的线性或等距变化之外，根据本发明还提出：使用结构化的电流脉冲，其中多次中断电流，即快速时钟控制的电流填充电流脉冲的包络线。时钟控制的电流脉冲根据本发明被优化，直到其结构在单个脉冲之间的间距和单个脉冲的幅度方面引起单模VCSEL激光二极管的波数随时间等距变化为止。
另一种可行性是闭合的模拟或数字的调节回路，调节回路利用作为预定值的期望的波长变化曲线、作为测量值的波长相关的信号和作为调节信号的电流脉冲。
根据本发明还提出：借助电流在脉冲之内的连续变化优化电流脉冲的成形，使得产生单模VCSEL激光二极管的尽可能宽的扫描范围(波长的调谐范围，以nm为单位)。因此，例如，设有>3nm或尤其>8nm直至20nm的范围。
除了适当成形电流脉冲直到达到尽可能宽的扫描范围(波长的调谐范围，以nm为单位)，根据本发明还提出：使用结构化的电流脉冲，其中多次中断电流，即快速时钟控制的电流填充电流脉冲的包络线。时钟控制的电流脉冲根据本发明被优化，直到其结构在单个脉冲之间的间距和单个脉冲的幅度方面引起单模VCSEL激光二极管随时间的直至大约20nm的最大扫描范围(波长的调谐范围，以nm为单位)为止。
在本发明的最后的设计方案中，在高于阈值电流Ith的范围内选择短电流脉冲，其具有电流上升沿的<500μs、特别<50μs、直到≈1μs的持续时间。借此，除了所描述的热感应的、例如为0.1nm/K的光谱扫描范围之外，还实现光谱扫描范围(无热、光谱扫描范围)的非热感应的扩展。根据本发明使用的效果基于半导体激光器材料的电子能级/带隙由于短暂加载的高的电场强引起的纯电感应的位移。光谱扫描范围的该扩展份额尤其通过电流脉冲的类型及其上升沿产生。在这种运行类型中有利的是在SS-OCT系统的热稳定性的小的或可忽略的影响。在这种运行类型中，可以最小化或避免冷却和热稳定。
当如下条件适用时设置根据本发明的这种运行类型：
Δλ>ΔTΔλtherm
其中Δλ对应于光谱扫描范围，
Δλtherm对应于热感应光谱扫描范围(以nm/K为单位)，以及
ΔT对应于电流脉冲期间的温度变化(以K为单位)。
在测量方面，该运行类型可以例如借助激光芯片处的用于ΔT的集成温度传感器和在电流脉冲期间的测量、以及在激光器材料的已知的静态测量的光谱漂移行程Δλtherm的情况下所达到的光谱扫描范围Δλ的测定来实现。
在用于控制基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统的所提出的方法中，半导体激光二极管的运行借助于周期性电流调制来设计，以能够以尽可能高的重复率在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线。
在此，根据本发明，设有以下参数：
-在至少20mm的相干长度的情况下，
-在600nm至1400nm的范围内的中心波长，
-在100Hz至100kHz的范围内的扫描率，
-在3nm至75nm的范围内的扫描范围，和
-在50μW至20000μW的范围内的眼睛处光功率。
为此，图1示出借助周期性电流调制对根据本发明的基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统进行控制的原理图。
基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统由具有控制单元2的半导体激光二极管1构成，其中控制单元2设计用于，借助于周期性电流调制来控制半导体激光二极管1的运行，以能够以尽可能高的重复率在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线。
为此，控制单元2设计用于周期性电流调制以改变电流脉冲的时间和幅度。特别地，控制单元2设计用于，发出电流脉冲的短的上升时间以电泵浦半导体二极管1。
在此，半导体激光二极管1尤其是VCSEL激光二极管，其具有与当前运行温度相关的高相干光谱激光线波长的变化。例如，为基于GaAs的半导体激光二极管设有0.07nm/K的变化Δλtherm/ΔT，并且为基于ALGaInP的半导体激光二极管设有0.25nm/K的变化。
还需要说明的是：根据本发明，由于电流脉冲的上升时间短，可以由控制单元2实现波长Δλ超过通过热变化已知的值的更宽的调谐范围(Δλ>ΔTΔλtherm)。
可选地，主要为SS激光源的稳定长期运行设有通过可以主动和被动工作的散热体3的温度稳定或温度管理装置。如果半导体激光二极管1和其现有的散热体的热容量足以稳定运行，则也可以省去散热体3的这些附加特征。
为了优化该散热体3，可以使用导热材料和/或珀耳帖元件。半导体激光二极管1的激光芯片的主动冷却仅在电流上升沿(Rise Time(上升时间))之外的时间设置与通过控制单元2进行的周期性电流调制同步。
除了为了热稳定运行而由通过控制单元2的电流脉冲加热引起冷却激光芯片的功能之外，散热体3可选地还设置用于仅在电流上升沿之内同步于控制单元3的电流脉冲以附加地加热半导体激光二极管1的激光芯片。由此可行的是：通过基于电感应的温度提高以及基于在电流上升沿时间内的这种可选的直接主动温度提高而提高温度变化ΔT的方式，增大热感应的波长失谐。
由半导体激光二极管1优选地发射几mW范围内的输出功率，其具有用于OCT和生物计量应用的SS干涉仪系统的期望参数，该参数可以补偿另一光学系统中的损失并且在考虑诊断应用中最大眼科可使用的强度的情况下实现良好的信噪比。如果半导体激光二极管1的输出功率过小，则可选地在光路中集成基于半导体的光学放大器(SemiconductorOptical Amplifier(半导体光学放大器)，简称SOA)作为SOA4。
在图2中示出由SS干涉仪系统的半导体激光二极管发射的辐射的一些另外的光学参数。
图示5概况表示各个高相干的波长在波长范围Δλ、即具有mW范围内的功率P的所谓的扫描范围中的调谐。扫描的光谱分辨率确定相干长度Lc或空气中的测量深度，如图所示。该功能在根据本发明的半导体激光二极管1的电流上升沿(Rise Time(上升时间))内实现。在该图中示出调谐范围Δλ的位移(Spectral Jitter(光谱抖动))，该位移尤其可通过在较长时间操控半导体激光二极管1的加热而形成。该效应可以通过借助于散热体3进行温度管理来抑制。
图示6借助示例概况表示具有各个激光脉冲的时间的发射参数，其中每个300μs的激光脉冲包含根据图示5的Δλ内的高相干波长的光谱调谐特性。在此，示出具有1kHz的重复率以及1ms的脉冲间距的该激光脉冲。在此，实现30％的占空比。因此，例如在300μs的有效电流脉冲之后，激光芯片又具有700μs的时间用于热和/或电磁弛豫，以实现长期稳定功能。
具有根据图示5和图示6的特性的半导体激光二极管1的激光辐射在未详细示出的干涉计量系统内耦合输入到要检查的眼睛7中。借助于生物计量仪9内的分束器8检测从眼睛向回散射的光强度。生物计量仪9的原始信号借助于后处理单元10处理，以便输出在整个眼睛7上的深度扫描(也称为A扫描)，其尤其获得关于角膜、晶状体和视网膜的位置和间距的信息作为测量结果11。在此处未概述的方式中，该A扫描可以在眼睛的瞳孔开口上方横向扫描，以产生眼睛7中的所提出的间距的截面图像作为所谓的B扫描。
为了补偿波长调谐范围(扫描范围)的由热环境影响和运行温度变化形成的不期望的漂移、即所谓的光谱抖动，可以将单模VCSEL激光二极管构建到在原则上-80℃至+180℃的温度范围中的、具有在约+/-1K的温度常量下稳定的温度的调温的散热体。在此，在温度低的情况下还可以通过大电流实现单模VCSEL激光二极管的高的输出功率。
为了在没有附加的散热体的情况下实现与温度相关的波长漂移，根据本发明提出在短相干的生物计量的测量系统的干涉仪中使用光纤布拉格光栅，该光栅预设波长基准，可以借助该波长基准连续重新校准测量系统。
(例如基于光纤的)布拉格反射器/光栅(FBG)可用于对调谐范围进行更好的光谱稳定。该反射器引入系统中，使得在调谐过程期间在精确限定的波数下形成光反射。该光反射可以借助干涉信号一起记录。该光反射用作光谱干涉信号的精确和绝对的光谱定位的基准。
为此，作者W.Choi等人在[7]中描述了解决方案，其中检测臂之一经由FBG引导至平衡检测器。FBG在检测信号中产生“陷波”，该陷波可用于信号的光谱基准化。
该方法的第一变型方案涉及基于SS-OCT系统的成像。在此，也应该能够以尽可能高的重复率在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线。
在所提出的方法的该变型方案中，如下示例性设计方案是可行的。
根据第一设计方案，设有如下优选参数中的一个、多个或全部：
-在大于60mm的相干长度的情况下，
-1050nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少16nm的扫描范围，和
-最大2mW的眼睛处光功率。
根据第二设计方案，设有如下优选参数中的一个、多个或全部：
-在大于60mm的相干长度的情况下，
-840nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少9nm的扫描范围，和
-最大0.8mW的眼睛处光功率。
根据第三设计方案，设有如下优选参数中的一个、多个或全部：
-在大于60mm的相干长度的情况下，
-600nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少5nm的扫描范围，和
-最大0.4mW的眼睛处光功率。
例如，大约25mm的相干长度Lc或空气中的测量深度足够用于前部眼睛部段到晶状体后侧的测量。
例如为了IOL计算的目的，借助用于确定生物计量值的测量装置，测量值、例如眼睛长度AL、晶状体厚度LD、前房深度VKT和角膜厚度HHD基本上由所谓的A扫描或B扫描确定。为此，空气中大约100μm的轴向分辨率是足够的。
示例性地，为此参考公司Zeiss Meditec AG的设备IOLMaster 500，其中在785nm的中心波长的情况下具有Δλ≈2.7nm的半值宽度的多模激光二极管在空气中实现100μm的分辨率。
在高斯谱功率密度中的轴向分辨率Δz定义为：
Figure BDA0003276648240000201
其中：Δλ定义半值宽度，并且
λ定义中心波长。
其他典型的光谱功率密度也可以用上述公式良好地近似。在中心波长为1050nm的半导体激光二极管的情况下，需要Δλ≈5nm，以便实现空气中为100μm的分辨率。
如果使用中央波长为840nm且电调谐范围为5nm的半导体激光二极管，则获得在空气中的分辨率的约65μm的改善值。在840nm的波长下，在约3nm的调谐范围中实现100μm的空气中针对生物计量仪所需的轴向分辨率。
因此，从其中得到以下值：
Figure BDA0003276648240000211
Figure BDA0003276648240000221
根据本发明，在1050nm的波长的情况下，设有10-100nm范围内、特别是16nm的半值宽度(这对应于半导体激光二极管的扫描范围)。
此外，根据本发明，设有具有100Hz-100kHz、特别是>1kHz的重复率(扫描塑料)的VCSEL激光二极管。
在该场景中，再次参考已经提到的运动伪影、重复率和信噪比之间的关联。
SS-OCT系统的灵敏度随沉积在组织中的能量(光子数)缩放而不随峰值功率缩放。因此，根据本发明寻求足够快速、但是也足够长地选择扫描率以排除眼睛的运动伪影，以便在激光二极管的给定功率下可以提供足够大的脉冲能量。
在此，根据本发明，设有200μW至最大20000μW、尤其最大2000μW(在1050nm的波长的情况下)的范围内的光功率。
在此也再次提到遵守已经提到的激光安全规定。
但是也可行的是：改变其他参数。例如，因此可以加宽VCSEL激光二极管的线宽。
根据本发明，还设有至少60mm的相干长度Lc，因为从其中产生的测量深度对于测定整个人眼是必要的。
然而，也可以实现具有>30μm、特别是>50μm的低轴向分辨率的SS-OCT系统。例如，这对于整个眼睛(前房直至眼底)的断层扫描和体积计量的显示是令人感兴趣的。同样地，可以通过“机器学习”算法补偿轴向分辨率的损失。为此，首先必须以标准分辨率记录图像，并且将该图像用于训练算法。随后，基于机器学习的算法学习，也在具有低轴向分辨率的图像中改进分辨率。
为了扩展根据本发明的技术的使用范围，尤其提出：借助于基于机器学习/深度学习/人工智能的算法来改进地评估作为A扫描和/或作为B扫描的全眼扫描。在此，根据本发明的生物计量仪的优点是大的测量深度，大的测量深度允许以例如28kHz的A扫描率的高重复率进行全眼扫描。然而不利的是：与具有直至100nm的扫描范围的现代高分辨率的SS-OCT系统相比，其由于大约5nm的低扫描范围而具有低分辨率。因此提出：借助根据本法的生物计量仪并且同时借助其他市售的超高分辨率的OCT系统完全和/或部分地测定至少大约20个患者眼睛。借助于基于机器学习/深度学习/人工智能的算法，现在应当将已知的高分辨率的测量与根据本发明的生物计量仪的测量进行比较和评估。结果是，这些算法应在A和/或B扫描中对生物计量仪的随后的单个测量改进其分辨率和精度。
用于控制基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统的方法的第二变型方案尤其通过全眼扫描涉及生物计量应用。
在用于控制基于半导体激光二极管的SS干涉仪系统的所提出的方法中，借助于周期性电流调制设置半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线。在此，根据本发明，将以下参数设置用于生物计量应用：
-在至少20mm的相干长度的情况下，
-在600nm至1400nm的范围内的中心波长，
-在100Hz至100kHz的范围内的扫描率，
-在3nm至20nm的范围内的扫描范围，和
-在50μW至20000μW的范围内的眼睛处光功率。
根据一个优选的设计方案，将以下优先参数中的一个、多个或全部设置用于全眼扫描：
-在大于60mm的相干长度情况下，
-1050nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少5nm的扫描范围，和
-最大2mW的眼睛处光功率。
通过改变电流脉冲的持续时间、幅度和形状(上升沿)，借助于周期性电流调制来运行半导体激光二极管。
对于最大重复率，需要通过有源VCSEL半导体层内的电流脉冲来实现最大温度梯度。然而，为了可以用几乎连续的运行方式在激光参数恒定的情况下实现高的重复率，须确保活性材料的平均温度相同。
根据本发明，这在仅被动冷却VCSEL激光二极管的情况下通过以下方式实现：
-短的电流脉冲在阈值电流Ith以上的范围内，其中电流上升沿的持续时间尤其<500μs并且至≈50ns，以及
-足以使有源VCSEL半导体层冷却到+/-2K范围内的稳定运行温度的占空比。特别地，为此，根据本发明设有<50％并且直至1％、优选30％的脉冲占空比。例如，因此在10000ns或10μs之后的100ns的电流脉冲的情况下进行下一电流脉冲，并且可以设置100kHz的重复率。
根据一个有利的设计方案，根据本发明的基于VCSEL的SS干涉仪系统的特征在于以下技术参数：
-在840nm的平均激光波长、
-5nm的扫描率、
-2mW的VCSEL激光二极管输出功率的情况下，
-28kHz的扫描率，
-30％的占空比，
-这对应于眼睛处的0.2mW的功率进而对应于100dB的测量灵敏度。
特别地，在该优化中提出：如果驱动器电流脉冲更短，则可以实现更大的峰值功率，以能够实现<10％的脉冲占空比。然而，于是，沉积在组织中的能量(光子数)随后会以大于10的倍数缩小。
根据本发明，对于生物计量应用在1050nm的情况下设有3-20nm的范围内、尤其是大约5nm的半值宽度(这对应于半导体激光二极管的扫描范围)。
根据本发明，为了实现基于VCSEL的SS干涉仪系统的稳定的静态的运行温度，实现在1％至50％的范围内、特别是30％的在测量灵敏度和热稳定性方面匹配的占空比。
由于根据本发明设有1kHz的最小重复率，所以在100ns持续时间的电流脉冲的情况下0.01％的脉冲占空比也是可行的，这意味着在活性激光材料中相对于电流脉冲时间10000倍长的冷却时间。为了将对于所需的控制的耗费保持在限制范围内，0.1％的占空比是现实的。由此可以设置SS-OCT系统的稳定的静态运行温度。在对于测量所需的脉冲能量的上述限制的范围内，寻求10％的占空比，并且在占空比为30％的情况下找到第一实用解决方案。由于光谱调谐范围即使在占空比为30％的情况下也保持持久稳定并且不进行光谱漂移，所以在根据本发明选择的配置的情况下确保激光二极管的有效体积的良好散热。
在上述有利的设计方案中，可以确保2mW的二极管发射的平均功率。在使用这种可调谐的VCSEL激光二极管时，可以由基于VCSEL的SS干涉仪系统提供眼睛处的200μW的测量功率，并实现以100dB的灵敏度对眼睛进行生物计量的测定。
根据本发明还提出：为了泵浦激光源，时间上对电流脉动的变化曲线幅度进行控制，以在激光发射的光谱调谐范围内获得发射波长在电流脉冲的时间上线性的变化曲线。这有利于最小化测量信号评估中的误差源。
如已经提及的那样，基于VCSEL的SS干涉仪系统的灵敏度随沉积在组织中的能量(光子数)缩放，并且不随峰值功率缩放。因此，根据本发明提出一种有利的优化方案，其中激光二极管在脉冲运行中允许>10倍的功率，这原则上仍认为是实际可行的。
最终，热负载限制激光二极管的输出功率。因此，尤其在低运行温度的情况下设有最佳的调谐范围。
因此，针对基于VCSEL的SS干涉仪系统的根据本发明的运行提出：为VCSEL激光二极管限定和设置稳定的nm/K梯度。
如已经提出的那样，可以实现大约0.1nm/K的温度梯度，进而对于5nm的调谐范围需要50K的温度变化。根据本发明提出：该梯度设置于>0.1nm/K，优选为大约0.3至0.5nm/K。这还可以通过上述措施来实现。
在此，根据本发明设有200μW至最大20000μW、特别是最大2000μW(在1050nm的波长的情况下)的范围内的光功率。
因此，根据本发明提出：激光二极管的驱动电流在高于阈值电流Ith的范围内调谐，其中该范围的最小和最大电流值得到激光二极管的对于在眼睛处在角膜平面中的测量为至少50μW的输出功率。
根据另一有利的设计方案，对于周期性电流调制，需设置和确保小于1ns的时钟波动、小于10ns的电流脉冲重复性和小于+/-5％的幅度稳定性。
因此，为了优化调谐范围的已经提到的可重复性而提出：
-在控制脉冲中设置在<1ns的范围内的非常小的时钟波动，
-保持控制脉冲的序列的可重复性<10ns，并且
-将其幅度稳定性在时间变化中设置于<+/-5％。
由此确保：调谐的波长范围保持不变。波长范围的>0.1nm的变化不仅影响轴向分辨率，而且影响轴向缩放，从而影响生物计量的测量的精度。
此外，尤其在不能充分满足对光谱调谐范围的所提出的必要的稳定性要求的情况下提出：通过干涉仪的机械稳定的基准信号来校正触发和驱动器信号的变化。例如，可以通过干涉图案和基准信号的关联和记录来进行校正。
根据本发明的用于构建简单的可调谐的二极管激光器的解决方案基于如下事实，即在活性激光材料中温度变化的情况下能实现波长变化。在此，该温度变化能间接地通过电流脉冲和/或通过附加的加热或冷却进行。
然而，除了根据本发明所期望的这种效果之外，借助激光二极管的活性材料的温度变化，在泵浦电流给定的情况下还存在输出功率的变化。因此，根据本发明，首先提出对于激光二极管设计的选择，其中输出功率与运行温度相关的变化小或可复现。此外，在该相关性方面设有之前提出的运行条件的优化。
然而，除了已经提到的技术挑战之外，还须考虑影响合适的VCSEL激光二极管的选择和控制的其他相关性。
根据本发明的测量技术在运动的眼处的应用需要快速测量时间，以便可以排除测量信号中的运动伪影。对于单独测量，测量时间应约小于或等于1ms。因此，可选择占空比和扫描率的例如10％和100Hz的组合。在该时间方面的调谐速率的情况下，于是同样需要3-20nm的范围内的光谱调谐宽度，以确保所需的分辨率。然而，激光二极管的已知表现是：尤其在调谐速率小的情况下实现大的调谐宽度，进而用于实现根据本发明的测量系统的另一挑战。对于该组合的要求而言，提出基于激光二极管设计的最佳版本的选择。
此外，对于测量信号的可复现的可评估性需要绝对恒定的光谱调谐范围。另一方面，由于对激光二极管进行在所提出的测量运行中所需的、重复的电/热调谐，引起温度漂移，从而引起调谐范围的波长漂移。
对于此要求，设置对激光二极管的最佳版本的选择，最佳版本的选择例如具有大热导率或大热容量，进而具有小的不期望的温度漂移。
大的扫描范围取决于设置VCSEL激光二极管的高温度。然而，在高的温度的情况下，存在激光二极管的光功率下降。
此外，VCSEL激光二极管的所提出的动态热表现与运行温度本身相关。因此，在较高的运行温度下获得：
-更高的激光阈值，和
-较小的最大功率Pmax和较小的最大电流Imax。
因此，根据本发明提出：选择运行小于或等于约20℃的室温、特别是<10℃的温度，或将激光二极管冷却到其最小允许的运行温度。
借助根据本发明的解决方案，可以提供SS干涉仪系统，其基于VCSEL激光二极管并适合用在眼科中，尤其用于确定眼睛的生物计量的测量值。
本SS-OCT系统可以在高相干长度和相对高重复率的情况下在宽的波长范围中调谐，进而适合于眼睛的生物计量的测量、特别是借助于全眼扫描进行的眼睛的生物计量的测量。
根据本发明的用于构造简单的可调谐的二极管激光器的解决方案基于如下事实，即在有源激光器材料中温度变化的情况下可以实现波长变化。在此，这种温度变化可以间接地通过电流脉冲和/或通过附加的加热或冷却来实现。
如上所述，可以实现大约0.1nm/K的温度梯度，进而对于5nm的可调谐性需要50K的温度变化。根据本发明提出：该梯度设置为>0.1nm/K，优选为大约0.3至0.5nm/K。这还可以通过以所描述的方式选择有源半导体激光器材料、选择合适的运行参数和系统的热管理来优化。

Claims (28)

1.一种用于控制基于半导体激光二极管的扫频源干涉仪系统的方法，其中，借助于周期性电流调制设置半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率并在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线，其特征在于，设有以下参数：
-在至少20mm的相干长度的情况下，
-在600nm至1400nm的范围内的中心波长，
-在100Hz至100kHz的范围内的扫描率，
-在3nm至75nm的范围内的扫描范围，和
-在50μW至20000μW的范围内的眼睛处光功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将以下优先参数中的一个、多个或全部设置用于借助OCT系统进行的成像：
-在大于60mm的相干长度的情况下，
-1050nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少16nm的扫描范围，和
-最大2mW的眼睛处光功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将以下优先参数中的一个、多个或全部设置用于借助OCT系统进行的成像：
-在大于60mm的相干长度的情况下，
-840nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少9nm的扫描范围，和
-最大0.8mW的眼睛处光功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将以下优先参数中的一个、多个或全部设置用于借助OCT系统进行的成像：
-在大于60mm的相干长度的情况下，
-600nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少5nm的扫描范围，和
-最大0.4mW的眼睛处光功率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将大于30μm的低轴向分辨率设置用于借助OCT系统进行的成像。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过基于机器学习的图像处理算法来补偿分辨率的损失。
7.一种用于控制基于半导体激光二极管的扫频源干涉仪系统的方法，其中，借助于周期性电流调制设置半导体激光二极管的运行，以能够以尽可能高的重复率并在宽的波长范围中调谐高相干光谱激光线，其特征在于，将以下参数设置用于眼镜处的生物计量应用：
-在至少20mm的相干长度的情况下，
-在600nm至1400nm的范围内的中心波长，
-在100Hz至100kHz的范围内的扫描率，
-在3nm至20nm的范围内的扫描范围，和
-在50μW至20000μW的范围内的眼睛处光功率。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将以下优先参数中的一个、多个或全部设置用于全眼扫描：
-在大于60mm的相干长度情况下，
-1050nm的中心波长，
-至少1kHz的扫描率，
-至少5nm的扫描范围，和
-最大2mW的眼睛处光功率。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，针对所述周期性电流调制改变电流脉动的持续时间和幅度。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，与波长变化的方向无关地进行所述周期性电流调制，从而既使用升频扫描又使用降频扫描。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，电流脉动的幅度处于在阈值电流Ith以上的范围之内。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，电流脉动的上升沿的持续时间小于500μs并且直至50ns。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，针对所述周期性电流调制确保小于1ns的时钟波动、小于10ns的电流脉冲重复性和小于+/-5％的幅度稳定性。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，实现具有1μs的持续时间和100kHz的重复率的电流脉冲。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，实现具有10μs的持续时间和10kHz的重复率的电流脉冲。
16.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，设有小于50％并且直至0.1％、优选小于30％的占空比。
17.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过短暂加载的高电场强度进行对半导体激光材料的(电子能级的)电子带隙的附加调制，对于所述附加调制适用：
Δλ>ΔTΔλtherm
其中，Δλ对应于光谱扫描范围，
Δλtherm对应于热感应光谱扫描范围(以nm/K为单位)，以及
ΔT对应于电流脉冲期间的温度变化(以K为单位)。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，基于对瞬时波长的认知借助于反馈系统调节电流脉冲，从而实现波数随时间的已知的变化。
19.根据权利要求14和15所述的方法，其特征在于，波数随时间进行线性变化。
20.根据权利要求14至16所述的方法，其特征在于，反馈系统由两种不同的光敏材料构成。
21.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，修改所述半导体激光二极管的有源区，以实现直至20mW的眼睛处连续光功率。
22.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助于自由辐射光学装置或光纤光学装置将由所述半导体激光二极管发出的激光辐射耦合输入到干涉仪中。
23.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，为所述半导体激光二极管限定并设定稳定的nm/K梯度。
24.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述扫频源干涉仪系统中设有光纤的布拉格光栅，以补偿温度相关的波长漂移。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，设置大于0.1nm/K、优选在0.25nm/K至0.5nm/K之间的nm/K梯度。
26.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，采取防止所述半导体激光二极管的出射窗因冷凝水起雾的措施。
27.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在840nm的平均激光波长和5nm的扫描范围的情况下，利用28kHz的扫描率、30％的占空比，实现所述半导体激光二极管的2mW的连续输出功率和对应于100dB的测量灵敏度的、0.2mW的眼睛处连续功率。
28.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其特征在于，将垂直腔面发射激光器的激光二极管用作半导体激光二极管。
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