DE10113070A1 - Ophthalmologisches Kurzkohärenz Interferometer - Google Patents

Abstract

Bei Anordnungen für die Kohärenz-Tomographie und Kohärenz-Topographie des Auges mittels einer Reihe von in der Pupille benachbarten Kurzkohärenz-interferometrisch gemessenen Tiefen-Signalen entlang von geraden parallel zur Augenachse wird durch einen geeigneten Strahlengang erreicht, dass die Geometrie des Auges vom vorderen Abschnitt bis zum Fundus in etwa demselben transversalen Querschnitt erfasst wird und hierbei der Messstrahl über die gesamte Tiefe des Auges auf das Kohärenzfenster fokussiert bleibt.

Description

Diese Erfindung betrifft die Erfassung und Abbildung der inneren Geometrie des Auges, insbesondere der für die Abbildung im Auge wichtigen Komponenten wie Cornea, Augenlinse, Glaskörper und Retinaoberfläche mittels der Kurzkohärenz-Interferometrie.

Bedingt durch neue Entwicklungen in der Ophthalmologie, gekennzeichnet durch vielfältig geartete operative Eingriffe an der Augenlinse (z. B. Kataraktchirurgie) und an der Hornhaut (refraktive Corneachirurgie), besteht ein erheblicher Bedarf an einem Meßverfahren, welches die optisch wirksame Geometrie des Auges quantitativ darstellt. Eine Teilaufgabe in diesem Sinne ist die Messung der Abbildungsqualität des Auges. Zur Erfassung der Abbildungsqualität des Auges sind schon in der Vergangenheit verschiedene Verfahren bekannt geworden: Subjektive Verfahren, die die Mitwirkung des Probanden erfordern und objektive Verfahren, die auf eine Mitwirkung des Probanden an der Messung im engeren Sinne verzichten. Subjektive Verfahren sind wegen der erforderlichen Mitwirkung des Probanden zur strengen Klärung klinischer Fragestellungen kaum zu gebrauchen. Auch die bisher bekannt gewordenen objektiven Verfahren zur Erfassung der Aberrationen des Auges gewähren nur beschränkten Zugang zur geometrischen Struktur des Auges, weil sie nur den Gesamteffekt aller optisch wirksamen Strukturen des Auges darstellen und die Einflüsse einzelner Komponenten nicht klar trennen können. Einen neueren Überblick über diese Fragen und einen Vergleich zweier moderner subjektiver Verfahren zur Messung der Aberrationen des Auges findet man beispielsweise in der Literaturstelle E. Moreno-Barriuso, R. Navarro, J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 17, 2000, pp. 974-985.

Stand der Technik

Ein Verfahren, welches die intraokulären Oberflächen der Komponenten des Auges zu messen gestattet, ist die optische Kohärenz-Tomographie, wie in der Literaturstelle A. F. Fercher und C. K. Hitzenberger, in: Springer Series in Optical Sciences (ed.: T. Asakura), Vol. 4, Springer Verlag, Berlin 1999, beschrieben. Hierbei werden aus einer Reihe von in transversaler x-Richtung benachbarten "z-Scans" durch Scannen der optischen Länge des Referenzarms eines Zweistrahl-Interferometers, in dessen Meßarm sich das Objekt befindet, Objektdaten entlang der z-Achse gewonnen. Die Gewinnung optischer Kohärenz-Tomogramme des vorderen Augenabschnitts ist in der Literaturstelle N. Knoop, et al., Ophthalmologe, Band 94, 1997, Seiten 481-486 beschrieben.

Der dort angegebene Strahlengang, bei dem das Auge von Meßstrahlen beleuchtet wird, die parallel zur optischen Achse des Auges auf dieses auftreffen, kann nur beschränkt zur Erfassung auch der inneren Geometrie des Auges benutzt werden, weil diese Strahlen von der Optik des Auges auf die Fovea fokussiert werden und dadurch große Bereiche des Glaskörpers und der Retina nicht erfaßt werden. Ein weiterer Nachteil des dar beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß, wenn man den Meßstrahl auf die vorderen Abschnitte des Auges fokussiert, die hinteren Abschnitte von dem Meßstrahl unscharf abgebildet werden.

Es ist daher die technische Aufgabe der Erfindung, Anordnungen für die Kohärenz- Tomographie und Kohärenz-Topographie des Auges mittels einer Reihe von in der Pupille benachbarten Kurzkohärenz interferometrisch gemessenen Tiefen-Signalen entlang von Geraden parallel zur Augenachse anzugeben, so daß die Geometrie des Auges vom vorderen Abschnitt bis zum Fundus in etwa demselben transversalen Querschnitt erfaßt wird und hierbei der Meßstrahl über die gesamte Tiefe des Auges auf das Kohärenzfenster fokussiert bleibt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das vom Strahlteiler des Interferometers kommende Meßstrahlenbündel eines Kurzkohärenz-Interferometers mit Hilfe einer ersten Optik über einen entlang der optischen Achse beweglichen Retroreflektor vor einer Scanner- Beleuchtungsoptik fokussiert wird, das vom drehbaren Scanningspiegel umgelenkte Lichtbündel mit Hilfe einer weiteren Scanneroptik und einem Objektiv über einen für das Auge telezentrischen Strahlengang in Meßpositionen der Augenpupille gestrahlt wird, wobei die Brennweite der Scanneroptik und des Objektivs gleich der objektseitigen Augenbrennweite sind und die Brennweite der Scanner-Beleuchtungsoptik etwa gleich der bildseitigen Brennweite des Auges mal dem für die Kurzkohärenz-Interferometrie maßgeblichen (mittleren) Gruppenindex des Auges ist und der z-Scan durch Verschieben eines Retroreflektors im Meßstrahl erfolgt.

Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der Fig. 1 bis 4 erklärt.

Fig. 1 beschreibt das grundsätzliche erfindungsgemäße Kurzkohärenz-Interferometrie- Verfahren zur Messung der inneren Geometrie des Auges.

Fig. 2 beschreibt eine Alternative des Kurzkohärenz-Interferometrie-Verfahrens zur Messung der inneren Geometrie des Auges bei Verwendung einer räumlich teilkohärenten Lichtquelle.

Fig. 3 veranschaulicht die Positionen unterschiedlicher z-Scans in der Augenpupille.

Fig. 4 erklärt den Verlauf des Meßstrahls bei nicht streng telezentrischem Strahlenverlauf am Auge.

Bei der Kurzkohärenz-Interferometrie wird die optische Weglänge des Meßstrahls eines Zweistrahl-Interferometers gescannt. Bei diesem sogenannten "z-Scan" wird der Referenzspiegel entlang der Achse des Referenzstrahls bewegt. Wenn die Weglänge des Referenzstrahls vom Strahlteiler zum Meßort und zurück innerhalb der Kohärenzlänge l_C gleich der Weglänge des Meßstrahls vom Strahlteiler zu einer lichtremittierenden Stelle im Objekt (Auge) und zurück zum Strahlteiler ist, treten am Interferometer-Ausgang Interferenzen auf. Dieser Bereich heißt "Kohärenzfenster". Durch kontinuierliches Verschieben des Referenzspiegels wird mit Hilfe der dann an einem Photodetektor am Interferometer-Ausgang auftretenden Interferenzen die z-Position lichtremittierender Stellen im Objekt registriert. Die Bestimmung der z-Position erfolgt mit einer Genauigkeit, die etwa durch die Kohärenzlänge

des benutzten Lichts gegeben ist; hier ist λ die mittlere Wellenlänge und Δλ ist die Wellenlängen-Bandbreite der benutzten Strahlung. Das "Kohärenzfenster" hat also etwa die Länge l_C.

Fig. 1 stellt den Strahlengang des ophthalmologischen Kurzkohärenz-Interferometers dar.

Der aus der Lichtquelle 1 austretende räumlich voll kohärente, zeitlich kurzkohärente Lichtstrahl 2 wird von der Optik 3 kollimiert und von Strahlteiler 4 in Meßstrahlenbündel 5 und Referenzstrahl 6 geteilt. Der Referenzstrahl 6 wird von dem Retroreflektor 7 zum Referenzspiegel 8 gespiegelt und dort in sich reflektiert. Das Meßstrahlenbündel 5 wird von einer ersten Fokussieroptik 9 zum Retroreflektor 10 in einen ersten Fokus 20 fokussiert und weiter über die Scanner-Beleuchtungsoptik 11 und den drehbaren Scanning-Spiegel 12 in die Eintrittspupille der Scanneroptik 14 gerichtet.

Der Retroreflektor 10 wird bei dem Kurzkohärenz-interferometrischen z-Scan in z-Richtung bewegt; der Scanning-Spiegel 12 jedoch dient zur Ansteuerung verschiedener Punkte in der Augenpupille. Dieser drehbare Scanning-Spiegel 12 ist in der Brennebene der Scanneroptik 14 angeordnet. Das von dem Scanning-Spiegel 12 auf die Eintrittspupille der Scanneroptik 14 gerichtete Meßstrahlenbündel verläßt daher die Optik 14 parallel zur optischen Achse und wird von dem Objektiv 15 in Richtung von dessen Brennpunkt 16 gerichtet und im Fokus 19 fokussiert. Der Brennpunkt 16 befindet sich an der Stelle des objektseitigen Brennpunkts der Optik des Auges 17. Das Meßstrahlenbündel 5 verläuft daher im Auge 17 parallel zu dessen optischer Achse 18.

In der Fig. 1 ist der Umlenkspiegel 10 in einer Position, bei der der Abstand des ersten Meßstrahlfokus 20 zur Scanner-Beleuchtungsoptik 11 gleich deren doppelter Brennweite f ist. Der Fokus 20 wird daher in die Scanneroptik 14 abgebildet (Fokusbild 21), die sich im Abstand 2.f hinter der Optik 11 befindet und der Hauptstrahl des Meßstrahlenbündels 5 läuft hinter der Scanneroptik 14 parallel zu deren optischer Achse weiter. Der optische Abstand zwischen der Scanner-Beleuchtungsoptik 11 und der Scanneroptik 14, gemessen über den Scannerspiegel 12, beträgt also 2f, der Scannerspiegel 12 befindet sich jedoch in der vorderen Brennebene der Scanneroptik 14. Die Brennweite des Objektivs 15 ist etwa gleich der objektseitigen Augenbrennweite f_o, ebenso die Brennweite der Scanneroptik 14; das Objektiv 15 befindet sich sowohl von der Scanneroptik 24 aus gemessen als auch von der objektseitigen Hauptebene des Auges aus gemessen etwa im Abstand von 2 mal objektseitiger Augenbrennweite f_o. Daher wird das Fokusbild 21 von dem Objektiv 15 in die objektseitige Hauptebene des Auges abgebildet (Fokusbild 19).

Die optische Länge des Referenzstrahlengangs wird mit Hilfe des Retroreflektors 7 auf gleiche optische Länge des Meßstrahls zum Fokusbild 19 eingestellt. Das Kohärenzfenster befindet sich daher beim Fokusbild 19.

Der z-Scan wird nun, anders als in der üblichen Kurzkohärenz-Interferometrie, nicht durch Verschieben des Referenzspiegels, sondern durch Verschieben des Retroreflektors 10 in Richtung zum Strahlteiler 4 (z-Richtung), beispielsweise um die Strecke Δz ausgeführt.

Dadurch verkürzt sich die Strecke zwischen Fokussieroptik 9 und Scanner-Beleuchtungsoptik 11 um 2Δz; der Fokus 20 wandert daher um diese Strecke (2Δz) näher an die Optik 11 heran. Ist Δz gleich der halben Brennweite f der Optik 11, befindet sich der Fokus 20 nun in deren vorderer Brennebene (20'), siehe Fig. 2. Der Meßstrahl 5 verläßt die Optik 11 daher als Parallelstrahl und wird von der Scanneroptik 14 in deren hinterer Brennebene fokussiert (Fokus 21'). Der Meßstrahl 5 wird nun von dem Objektiv 15 zum Parallelstrahl 25 kollimiert, in Richtung Brennpunkt 16 gebrochen und trifft als Parallelstrahl bei der Stelle 19' auf die vordere Hauptebene des Auges 17. Der Meßstrahl 5 wird daher von der Optik des Auges 17 parallel zu der optischen Achse des Auges gebrochen und auf dessen Fundus bei der Stelle 22' fokussiert. Da die optische Weglänge im Meßstrahl zwischen den Optiken 9 und 11 nun um 2Δz kürzer ist, befindet sich das Kohärenzfenster um die (optische) Strecke 2Δz tiefer im Auge 17. Ist f gleich der bildseitigen Brennweite des Auges mal dem (mittleren) Gruppenindex des Auges (= etwa 1.355), so befindet sich das Kohärenzfenster nun ebenfalls am Augenfundus. Analoges gilt für Zwischenpositionen des Retroreflektors 10 und des Meßstrahlfokus im Auge.

Legt man das nicht akkommodierte Gullstrandsche schematische Auge zugrunde, beträgt die objektseitige Brennweite etwa 17 mm und die bildseitige Brennweite etwa 23 mm. Die Brennweite f_o des Objektivs 15 muß also gleich der objektseitigen Augenbrennweite sein, ebenso die Brennweite der Scanneroptik 14; die Brennweite f der Optik 11 hingegen, muß gleich der bildseitigen Brennweite des Auges mal dem (mittleren) Gruppenindex des Auges (= etwa 1.355) sein. Man kann sich bei der Auslegung eines solchen Interferometers an diesen Werten orientieren. Tatsächlich weichen die Daten realer Augen von diesen Werten mehr oder weniger ab. Dies bewirkt jedoch nur ein vernachlässigbare geringes Auseinanderlaufen von Meßstrahlfokus (19 und 22') und Kohärenzfenster und damit eine geringfügig größere transversale Ausdehnung des Meßstrahlquerschnitts in Kohärenzfenster.

Die Messung erfolgt bei der hier präsentierten erfindungsgemäßen Anordnung nicht, wie in der Kurzkohärenz-Interferometrie sonst üblich, durch Verschieben des Referenzspiegels, sondern durch Verschieben des Retroreflektors 10 im Meßstrahl. Das am Photodetektor registrierte z-Scan Signal wird wie üblich bandpass-gefiltert, gleichgerichtet und geglättet und liefert die zur x-y-Position des Meßstrahls in der Pupille des Auges gehörige z-Struktur des Auges.

Durch Drehen des Scannerspiegels 12 wird der Meßstrahl in verschiedene Punkte unterschiedlicher x-Koordinaten der Eintrittspupille des Auges 17 gesteuert. Um auch Punkte außerhalb der x-z-Ebene zu erreichen, kann beispielsweise zwischen den Optiken 14 und 15 ein Dove-Prisma mit Dachkante 24 zur Drehung des Strahlengangs angeordnet werden. Dann muß die Länge des gestrichelt gezeichneten Strahlengangs zwischen den Optiken 14 und 15 unter Berücksichtigung des Gruppenindex des Dove-Prismas gleich 2f_o sein. Bei Drehung des Dove-Prismas liegt der gestrichelt gezeichnete Strahlenverlauf außerhalb der Zeichenebene (x-z-Ebene). Punkte außerhalb der x-z-Ebene können auch mit Hilfe eines um zwei orthogonal zueinander orientierte und in der Spiegelebene liegende Drehachsen drehbaren Scannerspiegels 12 erreicht werden, oder alternativ durch zwei aufeinander folgende, mit ihren Drehachsen orthogonal zueinander orientierte Scannerspiegel.

Das in der Fig. 1 beschriebene Kurzkohärenz-Interferometrie-Verfahren zur Messung der inneren Geometrie des Auges arbeitet mit räumlich voll kohärenten und zeitlich gering kohärenten Lichtduellen wie (longitudinalen) Multimoden-Lasern und Superlumineszenz- Dioden. Alternativ kann man auch räumlich teilkohärente und zeitlich gering kohärente Lichtquellen benutzen, wie (transversale) Multimoden-Laser, Glühlampen oder Plasmaleuchten. Interferenz kann man mit räumlich teilkohärenten Lichtquellen nur erreichen, wenn man die räumliche Zuordnung der strahlenden Lichtquellenpunkte der verwendeten Lichtquelle in Meßstrahl und Referenzstrahl berücksichtigt. Das kann kurz gesagt so erreicht werden, daß man zunächst im ersten Schritt die Lichtquelle auf die Meßstelle im Objekt und auf den Referenzspiegel abbildet. Im zweiten Schritt müssen diese beiden Bilder deckungsgleich auf den Photodetektor abgebildet werden. Hierzu ist die anhand der Fig. 2 beschriebene Modifizierung des Strahlengangs notwendig. Gleichzeitig ist dort der Fall skizziert, daß sich Meßpunkt und Kohärenzfenster am Augenfundus befinden.

In der Fig. 2 ist 30 eine räumlich teilkohärente und zeitlich gering kohärente Lichtquelle. Diese wird von den Optiken 3, 9, 11, 14 und 15 sowie durch die Optik des Auges 17 in den Meßpunkt 22' abgebildet. Dieselben Optiken erzeugen mit dem vom Meßort remittierten Licht zusammen mit der Optik 31 ein Bild 32 auf dem Photodetektor 26. Analog wird nun durch eine Optik 33 ein Bild 34 der Lichtquelle 30 auf dem Referenzspiegel 8 erzeugt. Von diesem Bild entsteht durch das reflektierte Licht über die Optiken 33 und 31 ein Referenzbild 35 der Lichtquelle auf dem Photodetektor 26. Sind die Bilder 32 und 35 deckungsgleich, entstehen hier analoge Interferenzen wie bei der üblichen Kurzkohärenz-Interferometrie mit räumlich kohärentem Licht.

Zur Gewinnung der intraokulären Struktur werden die z-Scan-Signale aus den Verfahren nach Fig. 1 und 2 aus in x- und y-Richtung benachbarten Punkten 41 in der Augenpupille innerhalb des Irisrands 40 benutzt, siehe Fig. 3. Verwendet man z-Scans aus Punkten entlang einer Geraden 42 oder einer krummen Linie 43 in der Pupille, erhält man Daten aus flächenhaften Schnitten durch das Auge. Verwendet man z-Scans aus einem flächenhaften Bereich in der Pupille, beispielsweise z-Scans aus der gesamten Pupille 40 oder aus einem flächenhaften Ausschnitt wie einer Kreisfläche 43, so erhält man die dreidimensionale Struktur innerhalb eines Zylinders von der Cornea bis zum Fundus.

Man kann die transversale Ausdehnung des Meßbereichs um die optische Achse des Auges nach hinten, also in Richtung auf den Fundus zu, vergrößern, wenn man den Abstand zwischen Auge 17 und Objektiv 15 verkleinert. Dann ist der Strahlengang am Auge nicht mehr streng telezentrisch, der Meßstrahl 5 verläuft dann im Auge divergent. Das ist in der Fig. 4 skizziert.

Claims (6)

1. Anordnungen für die Kohärenz-Tomographie und Kohärenz-Topographie des Auges mittels einer Reihe von in der Pupille benachbarten Kurzkohärenz-interferometrisch gemessenen Tiefen- Signalen entlang von Geraden parallel zur Augenachse, so daß die Geometrie des Auges vom vorderen Abschnitt bis zum Fundus in etwa demselben transversalen Querschnitt erfaßt wird und hierbei der Meßstrahl über die gesamte Tiefe des Auges auf das Kohärenzfenster fokussiert bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Strahlteiler kommende Meßstrahlenbündel eines Kurzkohärenz-Interferometers mit Hilfe einer ersten Optik (9) über einen entlang der optischen Achse beweglichen Retroreflektor (10) vor einer Scanner-Beleuchtungsoptik (17) fokussiert wird, das vom drehbaren Scanningspiegel (12) umgelenkte Lichtbündel mit Hilfe einer weiteren Scanneroptik (14) und einem Objektiv (15) über einen für das Auge telezentrischen Strahlengang in Meßpositionen der Augenpupille gestrahlt wird, wobei die Brennweiten der Scanneroptik und des Objektivs etwa gleich der objektseitigen Augenbrennweite sind und die Brennweite der Scanner-Beleuchtungsoptik etwa gleich der optischen Länge des Auges, d. h. gleich der geometrischen Länge des Auges von der Cornea bis zum Fundus mal dem für die Kurzkohärenz- Interferometrie maßgeblichen (mittleren) Gruppenindex des Auges ist und der z-Scan durch Verschieben eines Retroreflektors im Meßstrahl erfolgt.

2. Anordnungen für die Kurzkohärenz-Interferometrie des Auges mittels einer Reihe von Kurzkohärenz-interferometrisch gemessenen Tiefen-Signalen in Pupillenpunkten entlang von Geraden parallel zur Augenachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine räumlich teilkohärente thermische Lichtquelle, Plasmalichtquelle oder ein transversaler Multimoden-Laser benutzt wird, wobei die Lichtquelle sowohl über den Referenzstrahlengang als auch über den Meßstrahlengang deckungsgleich auf den Photodetektor am Interferometer-Ausgang abgebildet wird.

3. Anordnungen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auge näher als im Abstand seiner objektseitigen Brennweite vom Objektivfokus (16) angeordnet wird, um mit dem Meßstrahl einen größeren Fundusbereich zu erfassen.

4. Anordnungen nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung des Meßarm-Strahlengangs um die Achse des Auges ein Dove-Prisma mit Dachkante zwischen der Scanner-Optik (14) und dem Objektiv (15) angeordnet wird.

5. Anordnungen nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Scannerspiegel (12) um zwei orthogonal zueinander orientierte und etwa in der Spiegelebene liegende Drehachsen drehbar ist.

6. Anordnungen nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Scannerspiegel (12) durch zwei aufeinander folgende, mit ihren Drehachsen orthogonal zueinander orientierte Drehachsen ersetzt wird.