DE10053154B4 - Optische Kohärenz-Interferometrie und Kohärenz-Tomographie mit räumlich teilhärenten Lichtquellen - Google Patents
Optische Kohärenz-Interferometrie und Kohärenz-Tomographie mit räumlich teilhärenten Lichtquellen Download PDFInfo
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Abstract
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 Kohärenztomographie 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 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.
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 der2 kurzer Kohärenzlänge aus einer Kurzkohärenz-Lichtquelle3 , beispielsweise einer Superlumineszenz-Diode, beleuchtet. Der Strahlteiler4 teilt den beleuchtenden Lichtstrahl in Meßstrahl und Referenzstrahl. Der am Strahlteiler4 gespiegelte Teil des Lichtstrahls2 läuft als Referenzstrahl5 zum Referenzspiegel6 des Interferometers. Der den Strahlteiler durchsetzende Anteil des Lichtstrahls2 bildet der Meßstrahl7 , welcher von der Optik13 auf das Objekt1 fokussiert wird. - Bei dem sogenannten „z-Scan” wird der Referenzspiegel
6 entlang der Achse des Referenzstrahls5 bewegt. Wenn der Abstand des Referenzspiegels6 vom Strahlteiler4 innerhalb der Kohärenzlänge lc des Lichtstrahls2 gleich dem Abstand einer lichtremittierenden Stelle8 im Objekt1 ist, tritt am Photodetektor10 am Interferometerausgang Interferenz auf. Durch kontinuierliches Verschieben des Referenzspiegels6 wird mit Hilfe der dann am Photodetektor10 auftretenden Interferenzen die z-Position lichtremittierender Stellen im Objekt registriert. Die Bestimmung der z-Position erfolgt daher mit einer Genauigkeit, die etwa durch die Kohärenzlängedes 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 Objekt1 in x-Richtung bewegt oder, wie in der1 mittels eines rotierenden oder schwingenden Drehspiegels11 ab. - Zu diesem grundsätzlichen Verfahrender 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) 157–173 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 Kohärenzlänge. 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 LED's. Zu diesen Lichtquellen 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 lc = 0.9 μm. 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
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-
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- Die Zahlen bedeuten:
- Bezugszeichenliste
-
- 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 Lichtquellen14 oder der durch Abbildung daraus abgeleiteten sekundären Lichtquelle (20 oder23 ) abgetastet (siehe - 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 Strahlteiler4 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 Interferometer-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.
-
- In der
14 am Interferometereingang. Die Lichtquelle14 wird durch den Strahlteiler4 hindurch von den Optiken12 und13 einerseits durch den fokussierten Meßstrahl7 in das Objekt1 im Meßarm abgebildet und andererseits von den Optiken12 und17 über den Strahlteiler4 durch den von der Optik17 fokussierten Referenzstrahl18 auf den Referenzspiegel6 im Referenzarm. Die Optiken13 und17 befinden sich im selben Abstand vom Strahlteiler und sind gleich aufgebaut; sie besitzen gleiche Brennweite und gleiche Glaswege für die sie durchlaufenden Lichtstrahlen. Die Lichtquellenbilder15 und16 werden von diesen Optiken ein zweites Mal über den Strahlteiler4 und die Optik9 auf den Photodetektor10 abgebildet. Bedingt durch die gleichen optischen Eigenschaften der Optiken13 und15 und deren gleiche Abstände vom Strahlteiler bleiben die über Referenzarm und Meßarm auf dem Photodetektor10 enstehenden Bilder der Lichtquelle14 räumlich zueinander kohärent. - In der
14 auf den Referenzspiegel6 und in das Objekt1 angedeutet, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Erforderlich ist hingegen eine deckungsgleiche Abbildung der Lichtquelle14 sowohl über den Referenzarm als auch über den Meßarm des Interferometers auf den Photodetektor10 . Andernfalls treten dort keine Interferenzen auf. Allerdings ist ohne Abbildung in das Objekt1 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 Bild20 einer räumlich teilkohärenten Lichtquelle19 benutzt werden, wie das in dem gestrichelten Kasten A der20 einer räumlich teilkohärenten Lichtquelle19 wird hier als „sekundäre Lichtquelle” bezeichnet. Zur Ausschaltung überflüssiger Lichtquellenanteile kann eine Lochblende21 an der Stelle der sekundären Lichtquelle20 dienen. Ferner kann die sekundäre Lichtquelle20 auch mittels einer Multimoden-Lichtleitfaser22 an den Interferometereingang, also an die Stelle der Lichtquelle14 , übertragen werden, wie das in dem gestrichelt gezeichneten Kasten B angedeutet ist. Als sekundäre räumlich teilkohärente Lichtquelle fungiert mm die Helligkeitsverteilung der Austrittsfläche23 der Multimodenfaser22 . Schließlich kann die Lichtquelle14 oder19 auch das Austrittsfenster eines transversalen Multimoden-Lasers oder einer transversale Superlumineszenz-Diode sein. - Bei der in der
1 in z-Richtung erreicht. Auch die für OCT erforderliche Abtastung in x-Richtung kann durch Bewegen des Objekts1 in x-Richtung realisiert werden. Alternativ kann der x-Scan auch hier mit Hilfe eines Drehspiegels11 erreicht werden (in - Die Realisierung des z-Scan durch Verschiebung des Objektes
1 selbst ist zumindest bei größeren Objekten ungünstig. Eine Alternative ist in der - Hier wird der z-Scan durch eine Bewegung der Optik
13 entlang der optischen Achse um Δz bewerkstelligt. Die Optik13 ist hierzu beispielsweise auf einem Verschiebetisch26 , der von einem Schrittmotor27 angetrieben wird, montiert. Um Zeitkohärenz zwischen dem Meßstrahl7 und und dem Referenzstrahl18 zu gewährleisten, müssen die Optiken13 und17 synchron um denselben Betrag Δz bewegt werden. Ferner muß mit der Optik17 auch der Referenzspiegel6 synchron um Δz bewegt werden. Diese gemeinsame Bewegung kann mit Hilfe einer mechanischen Verbindung24 zwischen Optik17 und Referenzspiegel6 sichergestellt werden, die mittels eines Schrittmotors25 gesteuert wird. Da der vom Strahlteiler4 kommende Referenzlichtstrahl5 hier parallel verläuft, ändert sich hiedurch nichts an der Raumkohärenz der Bilder der Lichtquelle14 . - 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 Lichtquellenbilds15 im Objekt bei ebener Objektoberfläche um einen Faktor n·nG stärker (n ist der Phasenindex, nG ist der Gruppenindex des Objekts1 ), als es der Verschiebung der Optik13 entspräche. Um dies auszugleichen, wird die Optik13 nur um Δz/(n·nG) verschoben. Andere Korrekturen sind bei gekrümmten Objektoberflächen erforderlich.
Claims (4)
- 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 Kohärenztomographie 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 benutzt werden und das Objekt mit dem Bild (
15 ) dieser primären Lichtquellen (14 ,19 ) oder der durch Abbildung daraus abgeleiteten sekundären Lichtquelle (20 oder23 ) abgetastet wird. - Verfahren zur Durchführung des Kurzkohärenz-Interferometrie ”z-Scan” oder Tiefen-Scan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich teilkohärente Lichtquelle ein transversaler Multimoden-Laser oder eine transversal schwingende Superlumineszenz-Diode oder eine Gasentladungslampe oder ein Lichtbogen oder eine Glühlampe ist.
- Anordnung zur Durchführung des Verfahrens 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. - Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 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.
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