Ziel und Aufgabe
der Erfindung
Das
Ziel der Erfindung besteht darin, für die gewerbliche Nutzung Objekte,
insbesondere auch biologische und technische Objekte, vergleichsweise
schnell in ihrer äußeren Form
oder ihres äußeren Profils und/oder
auch zumindest teilweise in ihrer Dreidimensionalität im Inneren
des Objektvolumens, also in einem Bereich unter der Oberfläche des
Objekts, vermessen zu können.
Ziel
ist dabei das möglichst
hochaufgelöste
3D-Erfassen von eher mikroskopisch kleinen Objekten, also eine Auflösung in
den drei Raumkoordinaten nahe an der Begrenzung durch die Beugung
elektromagnetischer Wellen, wobei ein vergleichsweise ausgedehnter
Tiefenbereich ebenfalls erfasst werden soll. Es sollen im Extremfall – beim Einsatz
hochaperturiger Optik und beispielsweise bei Anwendung der Immersionstechnik – Auflösungen auch
in der Größenordnung
der verwendeten Wellenlänge
in den drei Raumkoordinaten erzeugt werden können.
Insbesondere
können
die zu vermessenden Objekte auch translucent sein. Dabei kann es
sich auch um technische Wertstoffe wie Kunststoffe handeln, die
beispielsweise faserverstärkt
sind oder Füllstoffe
in verschiedenen Partikelgrößen aufweisen.
Dabei steht die Erfassung der zwei- oder auch dreidimensionalen
Verteilung dieser Inhaltsstoffe im Basismaterial im Vordergrund.
Weiterhin
besteht auch das Ziel, Schichtdicken zu messen, beispielsweise von
Lackschichten, optischen Schichten oder auch von Ölfilmen
sowie auch die Topografie von unter der Schicht liegenden Oberflächen. Auch
die räumliche
Verteilung von Partikeln in der Schicht selbst kann von Interesse
sein.
Dabei
soll mit dem erfinderischen Verfahren ein möglichst großer Datenfluss mit dem optischen
Tastkopf erreicht werden können.
Der
Einsatz dieses erfinderischen Verfahrens soll auch in der Präventivmedizin
eingesetzt werden können,
beispielsweise zur Früherkennung
von Krankheiten.
Um
möglichst
viel Lichtenergie vom Objekt gewinnen und damit auch schnell messen
zu können,
soll im optischen Tastkopf vorzugsweise der Einsatz recht hochaperturiger Fokussieroptik,
beispielsweise mit einer numerischen Apertur von 0,5, durch die
Anwendung der Erfindung möglich
sein.
Das
Ziel der Erfindung besteht auch darin, für diese Messung einen kompakten
optischen Tastkopf einsetzen zu können.
Das
Ziel der Erfindung besteht weiterhin auch darin, mit dem optischen
Tastkopf eine vergleichsweise große Robustheit gegenüber mechanischen
Einflüssen – wie auch
Stößen – beim Erfassen
von Objekten, insbesondere auch von Biomaterialien, zu erreichen.
Das
Ziel besteht insbesondere darin, vergleichsweise geringe Herstellungskosten
sowie eine hohe Produktlebensdauer für den optischen Tastkopf zu
erreichen.
Weiterhin
besteht auch das Ziel insbesondere am Patienten bei einem chirurgischen
Eingriff die Messungen in möglichst
kurzer Zeit durchzuführen.
Da vor allem die verfügbare
Lichtenergie die Messgeschwindigkeit begrenzt, besteht die Aufgabe,
die verfügbare
Lichtenergie optimal beim erfinderischen Verfahren zu nutzen.
Damit
ist also die erfinderische Aufgabe zu lösen, in einem Tiefenbereich
oder auch in verschieden tiefen Volumenbereichen gleichzeitig optische
Merkmale, wie beispielsweise Reflexionsgrad oder Lichtstreuung,
sehr schnell, räumlich
aufgelöst
und mit hoher Zuverlässigkeit
zu erfassen. Dies soll auch bei Materialien möglich sein, die trübe Medien
darstellen, also wegen der Streuung des Lichts nur sehr wenig Licht
in den optischen Tastkopf gelangen lassen.
So
besteht die erfinderische Aufgabe, im optischen Tastkopf auf einen
mechanisch generierten Tiefen-Scan, den A-Scan, zu verzichten, da
dieser eine unakzeptable Scan-Zeit erforderlich macht. Es soll jedoch dennoch
in einem größeren Tiefenbereich
gemessen werden können.
Weiterhin
ist also auch die erfinderische Aufgabe zu lösen, eine große Robustheit
im Aufnahmevorgang dadurch zu erreichen, dass der optische Tastkopf,
zum Zeitpunkt der Aufnahme auch bei einer gewissen Fehllage desselben
in der Tiefe, beispielsweise durch Fehleinstellungen, Vibrationen
beim Erfassen und bei unerwünschten
Patientenbewegungen bei der Diagnose noch vergleichsweise zuverlässig Signalwerte
liefern kann.
Damit
ist also im Besonderen auch die erfinderische Aufgabe zu lösen, beim
Erfassen eines Objekts, welches auch ein trübes Medium darstellen kann,
auch in einer Tiefe von beispielsweise einigen 100 μm oder in
verschieden tiefen Volumenbereichen gleichzeitig optische Merkmale
sehr schnell räumlich
zu erfassen.
Das
Verfahren soll eine große
Flexibilität
aufweisen, um an die jeweilige Aufgabe optimal angepasst arbeiten
zu können.
Dagegen sollen Manipulationen am Tastkopf bis auf den gegebenenfalls
auszuführenden Lateral-Scan
im Interesse einer hohen Messgeschwindigkeit eher unterbleiben können.
Die
verallgemeinerte Aufgabe der Erfindung lautet also: Es soll von
Details einer Objektoberfläche und/oder
von Details des Objektinneren jeweils eine (z) oder zwei (x, z)
oder auch drei Raumkoordinate/n (x, y, z) bestimmt sowie jeweils
die zugehörige
Lichtintensität
in einem definierten Spektralbereich möglichst schnell erfasst werden.
Die Lichtintensität
wird zum einen von der Größe der Reflektivität, bzw.
der Streuung des erfassten Details bestimmt, andererseits von allen
optischen Komponenten und allen Details des gesamten Lichtweges,
der dem Detail im Lichtfluss vor- und nachgeordnet ist.
Beschreibung der Erfindung
1. Merkmale
vorwiegend zum Verfahren
Bei
einem Verfahren zur konfokalen Spektral-Interferometrie erfolgt
eine mikroskopische Abbildung der Objektoberfläche und auch des Inneren des
Objekts mittels Fokussier-Systems auf einen gerasterten Empfänger elektromagnetischer
Strahlung zur Detektion der interferierenden elektromagnetischen
Strahlung. Dieses spektral-interferometrische konfokale Verfahren
wird erfindungsgemäß insbesondere
auch zur Erfassung des Abstandes, des Profils und der Form und zur
optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) und optischen Kohärenz-Mikroskopie
(OCM), insbesondere auch zur dreidimensionalen OCM, von biologischen
und technischen Objekten oder Objektdetails Objekten in Auf- und/oder
Durchlicht mit
- – entweder mindestens einer
Multiwellenlängen-Quelle,
wobei bei der Multiwellenlängen-Quelle dem gerasterten
Empfänger
ein dispersives Spektrometer vorgeordnet ist,
- – oder
mindestens einer Wellenlängen-durchstimmbaren
Quelle elektromagnetischer Strahlung angewendet.
Erfindungsgemäß wird die
chromatisch-konfokale Technik mit der spektralen Zweistrahl-Interferometrie verfahrensmäßig verbunden,
wobei sowohl eine vorbestimmte chromatische Tiefenaufspaltung der
elektromagnetischen Strahlung im Fokussier-System erfolgt als auch
- 1. entweder bei Nutzung der Multiwellenlängen-Quelle
eine Spektralanalyse der detektierten interferierenden elektromagnetischen
Strahlung mittels dispersivem Spektrometer durchgeführt wird,
so dass ein Spektrum zur Verfügung
steht
- 2. oder bei Nutzung der Wellenlängen-durchstimmbaren Quelle
eine Wellenlängendurchstimmung
vorbestimmt durchgeführt
und die interferierende elektromagnetische Strahlung bei der Wellenlängendurchstimmung
detektiert wird, so dass über
der Zeit ein Spektrum aufgenommen wird.
Aus
dem Spektrum wird über
die Kenntnis der vorbestimmten Tiefenaufspaltung im chromatisch-konfokalen
System und die zumindest näherungsweise
Kenntnis des Brechungsindexes die z-Position eines jeden Objektdetails
und die zugehörige
Lichtintensität
bestimmt.
Dabei
ist es verfahrensmäßig unerheblich,
ob bei Einsatz einer spektral-breitbandigen Lichtquelle eine Spektralanalyse
mittels eines dispersiven Spektrometers, siehe erste Variante, oder
ob bei Einsatz einer spektral schmalbandigen Lichtquelle, beispielsweise
eine Wellenlängen-durchstimmbare
Laserlichtquelle, eine Wellenlängendurchstimmung,
siehe zweite Variante, durchgeführt
wird. Für
die Gewinnung einer dreidimensionalen Information vom Objekt ergeben
sich die folgenden Bedingungen:
Erste Variante: Dieses Verfahren
erfordert einen Lateral-Scan, da die spektrale Analyse eines Linienschnitts den
Einsatz eines flächenhaften
Empfängers
elektromagnetischer Strahlung voraussetzt. Der Einsatz eines spektral
hinreichend hochauflösenden,
flächenhaften
Empfängers
elektromagnetischer Strahlung mit der Spektralachse in der Tiefe
des Sensor-Chips
ist in naher Zukunft eher nicht zu erwarten.
Zweite
Variante: Dieses Verfahren erfordert einen Wellenlängen-Scan.
Jedoch ist bei Einsatz eines flächenhaften
Empfängers
elektromagnetischer Strahlung kein Lateral-Scan erforderlich.
Die
Tiefenaufspaltung der elektromagnetischen Strahlung entspricht der
Längsaufspaltung,
auch als chromatische Längsaberration
oder chromatische Längsaufspaltung
von optischen Systemen bekannt. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird im Weiteren als chromatisch-konfokale
Spektral-Interferometrie (chromatic confocal spectral interferometry,
CC-SI) bezeichnet.
Dieses
Verfahren kann auch zur optischen Kohärenz-Tomografie oder zur optischen
Kohärenz-Mikroskopie
von transparenten und translucenten Objekten eingesetzt werden.
Die Kohärenzverfahren
können
neben den ein-, zwei- oder dreidimensionalen Koordinaten von Objektdetails
im Messvolumen auch den Wert der Reflexion oder den Wert der Lichtstreuung
eines Objektdetails liefern.
Dabei
ist der optische Gangunterschied im Interferometer vorzugsweise
ungleich null gemacht. Bei dem Vorhandensein eines reflektierenden
oder lichtstreuenden Bereiches, also einem Objektdetail im Objektvolumen,
wird im Abtastvorgang vorzugsweise mindestens ein Wavelet über der
spektralen Achse des Spektrometers erzeugt. Dabei wird unter Wavelet
in dieser Schrift ein Signal verstanden, welches periodisch ist,
wobei sich die Frequenz oder die Periodenlänge auch ändern kann, und das Signal über eine
obere Einhüllende verfügt, also über seinen
Verlauf moduliert ist. Dabei kann die obere Einhüllende des Signals ein Maximum aufweisen.
Die Halbwertsbreite des Wavelets ist durch die Größe der chromatischen
Tiefenaufspaltung im chromatisch konfokalen System vorzugsweise
vorbestimmt einstellbar gemacht, wobei hier auch die Abhängigkeit
der Halbwertsbreite von der numerischen Apertur des Fokussier-Systems
zu beachten ist. Die Anzahl der Perioden unter der Einhüllenden
des Wavelets ist vorzugsweise durch die Dimensionierung von optischem Gangunterschied
sowie der Gangunterschiedsänderung über der
Wellenlänge
ebenfalls vorbestimmt einstellbar gemacht.
Anmerkung:
Bei Aufnahme eines Interferogramm über dem optischen Gangunterschied
mittels Gangunterschieds-Scan, die hier aber verfahrensmäßig nicht
ausgeführt
wird, führt
eine im Interferometer vorhandene Gangunterschiedsänderung über der
Wellenlänge,
beispielsweise durch Dipersion, zum bekannten Chirping im Interferogramm,
also zu einer Asymmetrie in der Einhüllenden des Interferogramms
und zu einer Variation der Frequenz über dem optischen Gangunterschied.
Dabei
ist es für
die Bestimmung des Schwerpunktes des Wavelets auf der spektralen
Achse des Spektrometers von Vorteil, wenn mindestens drei bis fünf Perioden
mit Amplituden von wenigstens 50% der Maximalamplitude sich unter
der Einhüllenden
befinden. Die Maximalamplitude des Wavelets oder ein vergleichbarer
Wert wie das Maximum der Einhüllenden
wird vorzugsweise ebenfalls bestimmt, um ein Maß für die Reflexion oder die Lichtstreuung
des jeweiligen Objektdetails im Objektvolumen zu erhalten. Beispielsweise
kann die Größe des Maximums
der oberen Einhüllenden
des Wavelets bestimmt werden.
Der
Schwerpunkt der Einhüllenden
des Wavelets kann mit den in der Literatur bereits beschriebenen Auswerteverfahren
bestimmt werden, siehe beispielsweise in Applied Optics, Vol. 39,
No. 8, vom 10. März 2000,
Seite 1290 bis 1295. Wird das spektral- interferometrische, konfokale Verfahren
mit gekoppelter chromatisch-konfokaler mikroskopischer Technik beispielsweise
an nicht streuenden, also mehr transparenten Volumenobjekten oder
an Oberflächen
angewendet, kann beim Nichtauftreten von Speckels oder Speckels
mit hinreichend geringem Kontrast mit Vorteil für die Tiefenmessgenauigkeit
auch die Phase des Wavelets ausgewertet werden.
Speckels
reduzieren sich in Ihrem Kontrast, wenn die numerische Apertur zur
Objektbeleuchtung bekannterweise hinreichend groß gemacht ist. Diese Phase
trägt also
bei hinreichend kleinem Speckle-Kontrast eine Information über die
wellenoptische Weglänge
im Interferometer und damit auch eine Abstands- oder Tiefeninformation über ein
Objektdetail. Somit kann die Phaseninformation unter diesen Voraussetzungen
auch zu einer hochgenauen Bestimmung der Tiefenposition des optisch
angetasteten Objektdetails genutzt werden.
Das
Fokussier-System wird neben der Abbildung des Objekts auch zur Erzeugung
der konfokalen Foki verwendet, die vorzugsweise Fokusflecken oder
Fokuspunkte darstellen.
Es
kann aber auch die Ausbildung von linienhaften Fokusflecken oder
Fokuslinien durchgeführt
werden. Dies kann für
die Lichtausbeute von Vorteil sein, wenn die Genauigkeitsanforderungen
bei der Objekterfassung nicht sehr hoch sind.
Für das Fokussier-System
soll Folgendes gelten: Das Fokussier-System enthält mindestens ein Fokussier-Objektiv.
Dieses Fokussier-Objektiv kann sowohl eine Mikrolinse, die am besten
asphärisch
ausgebildet ist, als auch ein handelsübliches Mikroskopobjektiv darstellen.
Das Fokussier-System kann also mit dem Fokussier-Objektiv identisch
sein, wenn dieses chromatisch ausgebildet ist. In dieser Schrift
wird in der Regel davon ausgegangen, dass das Fokussier-System mindestens
die folgenden Komponenten aufweist:
- – ein zumindest
nahezu achromatisches Fokussier-Objektiv
- – und
eine chromatische Komponente, welche diesem Fokussier-Objektiv zugeordnet
ist.
Die
chromatische Komponente kann ein diffraktiv-optisches Element sein,
welches sich in der Fourier-Ebene des Fokussier-Objektivs befindet.
Beim
Objektvolumen kann es sich in der Regel um mikroskopisch kleine
Bereiche, auch in der Ausdehnung von wenigen Wellenlängen des
verwendeten Lichts, mit eher geringen Reflexionsgradunterschieden im
eher trüben
Material handeln. Dieses kann insbesondere auch Biomaterial sein,
welches mikroskopisch kleine Streuzentren oder Reflexionszentren
aufweist. Diese Bereiche sollen mittels optischen Tastkopfs auch erfasst
werden können.
Das
hier vorgeschlagene, erfinderische Verfahren kann auch zur Bestimmung
der Art des biologischen Gewebes, also zur Unterscheidung von Weichteil-
oder Knochengewebe, indem die geometrisch-räumliche Struktur der Biomaterialien
sichtbar gemacht wird, angewendet werden.
Das
hier vorgeschlagene, erfinderische Verfahren verbindet also die
bekannte chromatisch-konfokale Technik
zur Tiefenerfassung Profil- oder 3D-Erfassung, im mikroskopischen
Maßstab
auch als chromatisch-konfokale Mikroskopie (CCM) bezeichnet, mit
der bekannten Weißlicht-Interferometrie
(WLI) mit spektraler Analyse, auch als Fourier-Domain-WLI, Fourier-Domain
OCT, als Spektral-Radar oder auch als Spektral-Interferometrie bekannt,
s. a. [1], S. 335–350.
Bei
der chromatisch-konfokalen Technik zur Tiefenerfassung erfolgt eine
Tiefenaufspaltung der Foki im Objektvolumen durch eine chromatische
Längsaberration.
Das Verfahren kann im Auflicht oder auch im Durchlicht angewendet
werden, wobei bei der weiteren Darstellung stets der Auflichtansatz
dargestellt wird.
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt der Einsatz einer im Vergleich zu einem Laser breitbandigen
Quelle elektromagnetischer Strahlung. Es kann auch eine Weißlichtquelle,
beispielsweise ein Weißlicht-Kontinuums-Laser,
eingesetzt werden.
Bei
dem Verfahren zur konfokalen Spektral-Interferometrie, insbesondere
auch zur Erfassung des Abstandes, des Profils und der Form und zur
zwei- oder dreidimensionalen Tomografie und -Mikroskopie (OCT, OCM)
von biologischen Objekten in Auf- und/oder Durchlicht wird eine
Multiwellenlängen-Quelle
elektromagnetischer Strahlung oder einer Vielzahl von Multiwellenlängen-Quellen
eingesetzt. Die Multiwellenlängen-Quellen
können
punktförmig
ausgebildet sein, beziehungsweise es werden mittels Faserenden oder
Mikroblenden eine oder mehrere punktförmige Multiwellenlängen-Quellen
dargestellt. Mit dem Fokussier-System erfolgt die Beleuchtung des
Objektvolumens. Außerdem
kann mit dem Fokussier-System bei Bedarf auch eine mikroskopische
Abbildung des Inneren des Objektvolumens zumindest punktweise erfolgen.
Die Abbildung dieses Inneren erfolgt auf einen möglichst hochsensitiven und
möglichst
schnellen, gerasterten Empfänger elektromagnetischer
Strahlung, wobei dem gerasterten Empfänger in Lichtrichtung ein Spektrometer
vorgeordnet ist. Dieses Spektrometer kann als Punkt- oder Linienspektrometer
ausgebildet sein. Dabei ist auch eine Faserkopplung des Spektrometers
sehr von Vorteil.
Dabei
wird erfindungsgemäß vorzugsweise
bei einem optischen Gangunterschied ungleich null im Zweistrahl-Interferometer
gearbeitet. Bei einem reflektierenden oder lichtstreuenden Bereich
auch in einem eher trüben
Medium wird so vorzugsweise mindestens ein Wavelet über der
spektralen Achse erzeugt.
Vorzugsweise
wird bei dem Verfahren zur konfokalen Spektral-Interferometrie zur
simultanen Auslesung von Details des Objektvolumens an der Grenzschicht
desselben sowie bei Bedarf auch in verschiedener Tiefe desselben
zum einen die Signalamplitude von Wavelets ausgewertet. Es soll
aber auch die Tiefenposition von Details des Objektvolumens bestimmt
werden. Dieses kann andererseits durch die Bestimmung des Maximums
der Einhüllenden
des Wavelets auf der Wellenlängenachse
erfolgen.
Es
erfolgt hier bei Anwendung der chromatisch-konfokalen Spektral-Interferometrie
mittels optischen Fokussier-Systems also sowohl eine Beleuchtung
als auch eine mikroskopische Abbildung des Inneren des zumindest
teilweise transparenten oder auch trüben Objektvolumens in verschiedenen
Tiefen gleichzeitig. Mittels einer chromatischen Längsaberration
im optischen Fokussier-System des Abtastkopfes erfolgt eine Separierung
der Foki vorzugsweise und zumindest näherungsweise entlang einer
Geraden im Objektvolumen. Die Längsaberration
wird auch als Tiefenaufspaltung bezeichnet.
Dabei
kann das verwendete Interferometer vom Michelson- oder auch vom
Linnik-Typ sein. Ein Linnik-Interferometer kann aus technischen
Gründen
eine Fokussierung mit einer recht hohen numerischen Apertur ermöglichen,
beispielsweise einer numerischen Apertur von 0,8. Die mikroskopischen
Immersionsverfahren können
hier ebenfalls angewendet werden.
Das
Zweistrahl-Interferometer kann aber auch als zumindest teilweise
ausgebildetes Common-path-Interferometer gestaltet sein. Dann kann
das Zweistrahl-Interferometer also auch als ein Fizeau- oder auch
ein Mirau-Interferometer ausgebildet sein.
Andererseits
ist auch die Ausbildung des Zweistrahl-Interferometers als Mach-Zehnder-Interferometer (MZI)
möglich.
Dieses kann auch fasergekoppelt sein, wobei sich beim Mach-Zehnder-Interferometer
die konfokale Diskriminierung vorzugsweise im Objektstrahlengang
befindet. Die Anwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers ermöglicht recht
einfach die Realisierung Folgenden:
- 1. Die
numerische Apertur für
den Beleuchtungsstrahlengang kann in einfacher Weise vorbestimmt
kleiner gemacht werden als die numerische Apertur für den Detektionsstrahlengang.
Der Referenzstrahlengang kann auch beim Mach-Zehnder- Interferometer mittels
Faser realisiert werden. Somit erlaubt die Anwendung des Mach-Zehnder-Interferometers
auch die Miniaturisierung des optischen Tastkopfes.
- 2. Die Anwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers ermöglicht weiterhin
eine besonders hohe Sensitivität
bei der Messung, da es nur vergleichsweise geringe Störeinflüsse gibt,
beispielsweise wenig Einflüsse
durch unerwünschte
Reflexionen an einem Faserende.
- 3. Die Nutzung eines Mach-Zehnder-Interferometers gestattet
die Verwendung des zweiten Inerferometerausganges, der zumindest
näherungsweise
gegenphasig arbeitet. So kann durch Subtraktion der mit den beiden
Inerferometerausgängen
gewonnenen Signale die Signalamplitude verdoppelt und der Gleichanteil eliminiert
werden. Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
Weiterhin
kann im optischen Fokussier-System des optischen Abtastkopfes die
chromatische Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum in verschiedener
Art und Weise mit einer im Optikdesign des Fokussier-Systems exakt
quantifizierten chromatischen Längsaberration
erfolgen:
Erstens durch eine spezielle chromatische Ausbildung
einer rein dispersiven Fokussier-Optik,
oder zweitens durch
eine dispersive Fokussier-Optik mit eher geringer chromatischer
Längsaberration,
jedoch zusätzlich
mit mindestens einem diffraktiv-optischen Element, also durch ein
Hybridsystem, wobei das diffraktiv-optische Element in einer von
null verschiedenen Beugungsordnung genutzt wird, oder
drittens
durch die Ausbildung der Fokussier-Optik als rein diffraktives System
wobei auch hier das diffraktiv-optische Element in einer von null
verschiedenen Beugungsordnung genutzt wird.
Dabei
ist die Größe der chromatischen
Längsaberration
der Fokussier-Optik des genutzten Wellenlängenbereiches vorzugsweise
so eingestellt, dass eine Tiefenaufspaltung der Foki durchgeführt wird,
die mindestens der gewünschten
Abtasttiefe im Volumen des Objekts entspricht. Darüber hinaus
ist der genutzte chromatische Bereich der spektralen Auflösung dem
verwendeten Spektrometer angepasst. Der Vorteil des Prinzips der
chromatischen Längsaberration
oder Längsaufspaltung,
die eine Tiefenaufspaltung darstellt, in der Fokussier-Optik besteht darin,
dass auch bei einer Verschiebung des Abtastkopfes in der Tiefe bei
einem Stoß auf
das System, dennoch Licht zum Zeitpunkt nach dem Stoß – jedoch
mit etwas anderer Wellenlänge
als vor dem Stoß – einen
Fokus scharf auf denselben Objektpunkt ausbilden kann. Die Auswerteprozessoren
werten genau dieses Licht, welches die Information über das
Tiefenprofil an dieser Stelle trägt,
aus. Mittels Informationen aus Messungen des Umfeldes dieses Messpunktes
kann gegebenenfalls eine Korrektur des durch den Stoß verfälschten
Tiefenwertes erfolgen.
Licht
wird hier in der Schrift stets im weitgefassten Sinn von elektromagnetischer
Strahlung im UV-, VIS- oder Infrarotbereich verwendet.
Das
diffraktiv-optische Element im Fokussier-System kann dabei vorzugsweise
als positive oder negative Zonenlinse ausgebildet sein. Es gibt
technische Argumente für
beide Varianten. Langwelliges Licht durchdringt jedoch ein biologisches
Objekt in der Regel besser. Außerdem
ist die Frequenzvariation der Wavelets über der Spektralachse geringer,
was die Auswertung vereinfachen kann. Diese Gründe sprechen für eine negative
Zonenlinse.
Die
diffraktiv-optische Zonenlinse kann vorzugsweise auch durch einen
Räumlichen
Lichtmodulator, Spatial Light Modulator (SLM), dargestellt sein,
dessen Brechkraft vorbestimmt variabel eingestellt werden kann.
Um
vorzugsweise mehrere Objektpunkte lateral im Objektvolumen gleichzeitig
auslesen zu können, ist
die Zonenlinse vorzugsweise in der Fourier-Ebene des Fokussier-Objektivs
angeordnet, wo sich zumindest näherungsweise
auch die Pupille des optischen Fokussier-Systems befindet, wodurch sich im Objektvolumen ein
telezentrischer Strahlengang und damit ein von der Wellenlänge unabhängiger Abbildungsmaßstab ergibt. Ein
zumindest näherungsweise
konstanter Abbildungsmaßstab
ist für
das Erfassen eines räumlichen
Objekts von Vorteil.
Weiterhin
ist es aber auch möglich,
dass die diffraktiv-optische Zonenlinse zum Zweck des Durchführens eines
Lateral-Scans, wodurch eine dreidimensionale Abtastung ermöglicht wird,
sehr schnell dezentriert wird. Dabei ist der laterale Abbildungsmaßstab jedoch
wellenlängenabhängig, da
die bei einer Dezentrierung erfolgende Bündelablenkung wellenlängenabhängig ist.
Jedoch kann dies numerisch korrigiert werden, auch wenn der Rechenaufwand
nicht unerheblich ist. Diese Dezentrierung der Zonenlinse kann bei
Verwendung eines DOEs mechanisch erfolgen oder beim Einsatz eines
elektronischen SLMs auch durch eine Rechner-Steuerung.
Die
für die
Interferenz jeweils benötigte
kohärente
Referenzwelle wird vorzugsweise mittels des Referenzstrahlengangs
eines fasergekoppelten Michelson-Interferometers, faser gekoppelten
Linnik-Interferometers oder eines fasergekoppelten Mach-Zehnder-Interferometers gewonnen.
Dabei
sind vorzugsweise im Referenzstrahlengang den genannten Zweistrahl-Interferometern
dem Faserende ein miniaturisierter Kollimator und ein miniaturisierter
Retroreflektor nachgeordnet. So kann in einem ersten Fall durch
einmaliges Verschieben des Retroreflektors bei der Justierung des
Abtastkopfes der benötigte
optische Gangunterschied im Interferometer abgestimmt werden. Dieser
Retroreflektor ist vorzugsweise als miniaturisierter, hier in der
Regel glasloser Tripelspiegelreflektor ausgebildet. Der Kollimator
muss gut achromatisiert sein. In diesem Fall kann das gesamte Objektvolumen
gleichzeitig detektiert werden, da aus dem Referenzstrahlengang
interferenzfähiges
Licht aller verwendeten Wellenlängen
geliefert wird.
Es
kann beim Einsatz eines Mach-Zehnder-Interferometers nach dem ersten
Y-Koppler Licht aus der Faser ausgekoppelt und kollimiert werden,
in einen Retroreflektor seitlich versetzt zur Hauptachse eintreten, parallel
versetzt wieder austreten und mittels Fokussier-Objektivs in eine
weitere Faser gelangen, die dann zum zweiten Y-Koppler führt. Der
Retroreflektor kann als Tripelreflektor ausgebildet sein. Durch
Parallelverschieben des Retroreflektors kann eine Änderung
des Gangunterschieds erfolgen, so dass der optische Gangunterschied
im Mach-Zehnder-Interferometer
in weiten Grenzen einstellbar ist und auch ein Wert nahe dem optischen
Gangunterschied null einstellbar ist. Dieser vergleichsweise geringe
Gangunterschied wird benötigt, damit
die Frequenz der Wavelets nicht so hoch ist, was die Auswertung
unmöglich
machen oder technisch doch sehr erschweren würde. Diese hier beschriebene
Anordnung kann beim Mach-Zehnder-Interferometer sowohl im Referenzarm
als auch im Objektarm angeordnet sein, wobei der Referenzarm dafür bevorzugt
werden kann.
Zur
Erzielung von Speckeln mit hohem Interferenzkontrast wird ein Lichtbündel deutlich
geringerer Apertur als die Apertur der Beobachtung koaxial in den
Strahlengang zur Beobachtung eingekoppelt s. a. [1], S. 335–357. Die
chromatisch-konfokale Diskriminierung erfolgt vorzugsweise nur im
Beobachtungs- bzw. Objektstrahlengang am Faserende zur Wiedereinkopplung.
Diese Faser führt
dann zum zweiten Y-Koppler zur Vereinigung und zum fasergekoppelten
Spektrometer mit hochempfindlicher Fotodiodenzeile. Die Einkopplung des
Beleuchtungsbündels
in den Strahlengang zur Beleuchtung erfolgt vorzugsweise mittels
flächenhaften Strahlteilers,
der die gesamte Pupillenfläche überdeckt.
Es sind jedoch grundsätzlich
auch andere Wirkprinzipien einsetzbar, welche den optischen Gangunterschied
im Referenzarm oder auch im Objektarm des Interferometers verändern können.
Reflektierende
oder lichtstreuende Bereiche oder Objektdetails im Objektvolumen
liefern also auswertbare Wavelets. Ausgewertet wird also die Signalamplitude
des Wavelets oder ein Wert, der sich aus der Signalamplitude ableitet.
Dabei wird jedoch nur Licht, bzw. elektromagnetische Strahlung ausgewertet,
das oder die einen Fokus auf einem Objektpunkt bildet, der sich
jeweils im wellenoptischen Schärfentiefebereich,
der symmetrisch einen Objektpunkt umgibt, befindet. Licht von Wellenlängen, das
einen Fokus bildet, der mehr als die wellenoptische Schärfentiefe
von einem Objektpunkt entfernt liegt, wird von der Verarbeitung
durch konfokale Diskriminierung ausgeschlossen.
Dabei
kann durch die Verrechnung von fünf
Intensitäten
I
1 bis I
5 aus direkt
benachbarten Sensorelementen, die eine Phasendifferenz von zumindest
näherungsweise
90° zueinander
aufweisen zum Beispiel die folgende Gleichung zur Bestimmung der
Signalamplitude A, verwendet werden:
Andere
Gleichungen zur Bestimmung der Signalamplitude A sind bekannt und
ebenfalls anwendbar. Diese Berechnung der Signalamplitude A kann
mittels Hardware-Prozessoren, die parallel auf die Sensorelemente
zugreifen, extrem schnell ausgeführt
werden.
Die
Signalamplitude kann jedoch auch über eine größere Anzahl von Intensitäten aus
direkt benachbarten Sensorelementen mittels FFT errechnet werden,
wobei die FFT vorzugsweise stückweise über dem Spektralbereich
ausgeführt
wird, nämlich
dort, wo ein Wavelet erwartet wird und das auf der Spektrometerzeile ausgewertete
Stück vorzugsweise
maximal etwa dem halben Abstand zwischen zwei Wavelets entspricht. Auch
Sub-Nyquist-Verfahren können
gegebenenfalls zur Berechnung der Signalamplitude angewendet werden.
Der
Ort des Maximums der Einhüllenden
auf der Wellenlängenachse
wird über
eine Bestimmung des Schwerpunktes des Wavelets ermittelt, um so
die Tiefeninformation über
den ausgewerteten Objektpunkt zu erhalten. Dabei kann eine Kalibrierung
notwendig sein.
Es
ist vorzugsweise auch möglich,
dass die jeweils benötigte
kohärente
Referenzwelle aus einer Wellenfront, die beim Durchgang oder der
Reflexion in der nullten Beugungsordnung an der diffraktiv-optischen Zonenlinse
entsteht, gebildet wird. Damit kann ein Common-path-Strahlengang erreicht
werden. Dabei ist dieser Zonenlinse eine zumindest teilweise reflektierende
Referenzspiegelfläche
im Common-path-Strahlengang zugeordnet, die zur Reflexion der zumindest
näherungsweise
gut fokussierten Referenzwellen aller Wellenlängen dient. Der Referenzstrahlengang
sollte möglichst
gut achromatisch ausgebildet sein. Das bedeutet, dass auch der refraktive
Teil des Fokussier-Systems, über
welchen ja auch das Referenzbündel
abgebildet wird, vorzugsweise gut achromatisiert sein muss. Dieser
Ansatz ist sehr kompakt und volumensparend, ist jedoch zunächst für ein eher
wenig tiefes Objektvolumen wegen der Probleme mit der Eliminierung
der sphärischen Aberration
im Common-path-Strahlengang geeignet. Beispielsweise kann hierbei
ein Optimum für
ein nur 200 μm
tiefes Objektvolumen und eine numerische Apertur von etwa 0,5 gegeben
sein.
Bei
Ausbildung eines diffraktiv-optischen Systems mit einer, zwei oder
mehr Zonenlinsen zur chromatischen Tiefenaufspaltung in einer vergleichsweise
großen
Pupille des Fokussier-Systems,
die vorzugsweise in der Fourier-Ebene desselben angeordnet ist,
kann auch eine höhere
numerische Apertur als 0,5 für
das Fokussier-System erreicht werden. In diesem Fall muss jedoch
mittels diffraktiv-optischen Systems in der Pupille für den chromatischen
Strahlengang eine hinreichend gute Korrektur der sphärischen
Aberration erfolgen – und
dies für
den gesamten genutzten Spektralbereich.
Zur
Eliminierung der tiefenabhängigen
sphärischen
Aberration wird eine vorbestimmte wellenlängenabhängige Wellenfrontformung mittels
Diffraktion oder Refraktion und Dispersion oder einer Kombination
derselben durchgeführt.
Dazu kommen also diffraktive oder refraktive optische Elemente oder
eine Kombination derselben im chromatisch längsaufspaltenden Fokussier-System
zum Einsatz.
Dabei
bilden sich durch die vorbestimmt eingeführte chromatische Längsaberration,
beziehungsweise die chromatische Tiefenaufspaltung, die Foki in
unterschiedlichen Tiefen des Objektvolumens aus, wobei für jeden
Fokus jeder beliebigen Wellenlänge
im genutzten Spektralbereich, die sphärische Aberration vorzugsweise
durch eine vorbestimmte Einstellung im Fokussier-System ein Minimum
aufweist, so dass für
den Fokusfleck in jeder vom Design des Abtastsystems berücksichtigten
Tiefe im Objektvolumen in guter Näherung eine beugungsbegrenzte
Abbildung besteht.
Es
ist aber auch möglich,
dass die sphärische
Aberrations-Korrektur an verschiedene Tiefen elektronisch gesteuert
anpassbar gemacht ist, damit verschiedene Tiefen des Objekts auch
mit Licht verschiedener Wellenlängen
erfassbar ist. Dies kann wegen einer gegebenenfalls hohen Abhängigkeit
der Transparenz des Objekts von der Wellenlänge, sehr sinnvoll sein. Dies
führt zu
einem Maximum an Adaptivität.
Diese Adaption wird jedoch nicht im Messvorgang, sondern vor Beginn
der Messung durchgeführt.
Dies bedeutet, dass der Tastkopf und das Verfahren für eine spezielle
Aufgabe einmalig konditioniert werden. Dies kann erreicht werden,
indem auch die Größe der chromatischen
Tiefenaufspaltung im chromatisch-konfokalen
System vorzugsweise elektronisch steuerbar durch die vorzugsweise
Anwendung von SLMs gemacht ist.
Weiterhin
wird im optischen System mittels bündelbegrenzender Mittel stets
eine konfokale Diskriminierung für
die aus dem Objektvolumen kommenden Wellenfronten durchgeführt. Das
kann durch das Ende einer Monomode-Faser oder durch Mikroblenden
geschehen.
Bei
einem hochaperturigen Fokussier-Objektiv, beispielsweise mit einer
numerischen Apertur von 0,7 und einer besonders großen Tiefe
eines eher kooperativen Objektvolumens, kann die sich stark ändernde
Periodizität über der
Wellenlänge
in den Wavelets ein erhebliches Problem für die Detektion darstellen.
Deshalb
werden vorzugsweise bei dem Verfahren zur konfokalen Spektral-Interferometrie,
insbesondere auch zur Erfassung des Abstandes, des Profils und der
Form und zur Optischen Kohärenz-Tomografie (OCT)
sowie auch zur dreidimensionalen Optischen Kohärenz-Mikroskopie (OCM) von biologischen und
technischen Objekten, Wavelets mit Frequenzanpassung erzeugt, indem
in mindestens einem Arm des Interferometers durch Dispersion und/oder
Diffraktion der optische Gangunterschied vorbestimmt wellenlängenabhängig gemacht
ist. Dies ist von großem
Vorteil für
eine schnelle Auswertung der Wavelets auf der Spektrometerachse,
insbesondere dann, wenn ein eher tief ausgedehntes Volumen auszuwerten
ist. Bei einem tief ausgedehnten Volumen ändert sich im Interferometer
der optische Gangunterschied über
der Wellenlänge
vergleichsweise stark. Beispielsweise, wenn es sich um einen Tiefenbereich
von mehr als 200 μm
handelt. Dies kann zu einer unerwünscht großen Variation der Frequenz
der Wavelets führen.
Die Spektrometerzeile müsste dann
Sensorelemente mit variablem Abstand aufweisen oder es wird eine
sehr große
Anzahl von Sensorelementen benötigt,
die wiederum eine extrem schnelle Auswertung aufwändiger machen.
Die Abhängigkeit
des optischen Gangunterschieds im Interferometer von der Wellenlängen wird
deshalb so eingestellt, dass diese somit eine sich insgesamt wenig
variierende Variation der Frequenz der Wavelets auf der Spektrometerachse, beziehungsweise
Spektrometerzeile ergibt. Beispielsweise werden vorzugsweise so
jeder Periode unter der Einhüllenden
des Wavelets, 3 bis 6 Sensorelemente zugeordnet. Bei Sub-Nyquist-Auswertungen
und optimierter Abhängigkeit
des optischen Gangunterschieds im Interferometer von der Wellenlängen können auch
weniger Sensorelemente eingesetzt werden, die dann jedoch einen Füllfaktor
in Richtung der Spektrometerachse von beispielsweise höchstens
50% aufweisen, um eine hohe Signalmodulation zu erreichen. Dies
bedeutet aber eine nicht effiziente Nutzung der eingesetzten Lichtenergie.
Es
werden also beim Verfahren zur konfokalen Spektral-Interferometrie,
insbesondere auch zur Erfassung des Abstandes, des Profils und der
Form und zur Optischen Kohärenz-Tomografie (OCT)
sowie auch zur dreidimensionalen Optischen Kohärenz-Mikroskopie (OCM) von
biologischen Objekten vorzugsweise Wavelets mit Frequenzanpassung
erzeugt. Dies bedeutet: Für
Licht unterschiedlicher Wellenlängen
gibt es einen unterschiedlichen Gangunterschied im Interferometer.
Dazu ist mindestens in einem Arm des Interferometers der optische
Gangunterschied wellenlängenabhängig gemacht.
Vorzugsweise erfolgt dies im Referenzarm des Interferometers. Diese
Anpassung der Frequenz der Wavelets über der Wellenlänge, also
auf der Spektrometerzeile, erleichtert die extrem schnelle Erkennung
und Auswertung der Wavelets. Ziel ist hierbei eine möglichst geringe
Variation der Frequenz der Wavelets. Dieser Ansatz kann somit ein
axiales Nachstellen des Retroreflektors beim Wechsel des zu erfassenden
Tiefenbereiches vollständig überflüssig machen.
Die
Variation des optischen Gangunterschieds über der Wellenlänge kann
im Interferometer mittels Dispersion, aber auch mittels Diffraktion
oder mittels einer Kombination von beiden in einem oder auch in
beiden Interferometerarmen erzeugt werden. Dieses kann gleichzeitig
in beiden Interferometerarmen oder auch nur in jeweils einem verursacht
werden, wobei auch das optische Abbildungssystem bereits etwas Abhängigkeit
des optischen Gangunterschieds von der Wellenlänge einbringen kann, jedoch
in der Regel in eher geringer Größe. Die
Größe der Diffraktion
kann durch Einsatz von SLMs vorzugsweise elektronisch gesteuert
werden. Es kann aber auch der von der Wellenlänge abhängige optische Gangunterschied
im Interferometer durch die Variation der Dicke einer optischen
Platte elektronisch gesteuert werden, da zwei Prismen elektronisch
gesteuert gegeneinander verschoben werden können.
Weiterhin
ist es auch vorzugsweise möglich,
dass durch eine vorbestimmte Variation des optischen Gangunterschieds über der
Wellenlänge
im umgekehrten Sinne wie vorab beschrieben eine charakteristische und
gut auswertbare Verschiebung der Mittenfrequenz der Wavelets ergibt.
Diese Änderung
der Mittenfrequenz der Wavelets kann bereits bei zwei benachbarten
Wavelets festgestellt werden. Diese Änderung der Mittenfrequenz
kann vorzugsweise mittels FFT ausgewertet werden.
Dabei
wird vorzugsweise eine – durch
die vorbestimmte Variation des optischen Gangunterschieds über der
Wellenlänge
gezielt mitinduzierte – stetig
fallende oder stetig steigende Mittenfrequenz der Wavelets erzeugt.
Diese Variation des optischen Gangunterschieds beruht auf der Dispersion
und/oder Diffraktion in mindestens einem der beiden Arme des Interferometers.
Da die Frequenzvariation bei effizienter Nutzung der Sensorelemente
wegen des Abtast-Theorems in der Regel nur in einem eher begrenzten
Rahmen möglich
ist, es sei denn bei Anwendung von Sub-Nyquist-Kriterien, wird dieser
Ansatz eher für
ein begrenzt tiefes Objektvolumen und damit auszuwertenden Wavelets
eingesetzt werden können.
Darüber hinaus
können
mit der schnellen Bestimmung der mittleren Frequenz der Wavelets,
beispielsweise mittels FFT-Prozessoren, auch Trends im Gesamtsystem,
beispielsweise Abstandsänderungen
der Fokussieroptik zum Objekt durch Stöße sehr gut erkannt und damit
auch zumindest teilweise korrigiert werden.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur konfokalen Spektral-Interferometrie wird vorzugsweise eine Phasenschiebung
im Interferometer erzeugt.
Diese
Phasenschiebung ist dabei vorzugsweise achromatisch. In jedem Sensorelement
des Spektrometers kann so mit wenigen achromatischen Phasenschiebungen
die Amplitude und Phase des spektral aufgespalteten Interferenzsignals
mittels der bekannten Gleichungen für die phasenschiebende Interferometrie vergleichsweise
genau ermittelt werden. Dabei werden mindestens zwei achromatische
Phasenschiebungen, beispielsweise von 120 Altgrad (2/3 π), durchgeführt, so
dass sich drei Intensitätswerte
pro Sensorelement ergeben. Die Auswertung der Intensitätswerte
führt zu
mehr Informationen über
das Objekt, da die spektrale Auflösung erhöht wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird
ebenfalls verbessert. So kann bei sehr schwachen Signalen eine sinnvolle
Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht werden. Vorzugsweise wird
dabei die achromatische Phasenschiebung mehrfach erzeugt, beispielsweise
auch viermal zu je 90 Altgrad, entsprechend π/2, so dass fünf Intensitätswerte
zur Verfügung
stehen. Nach jeder achromatischen Phasenschiebung erfolgt mindestens
eine weitere Aufnahme des Spektrums. Der Vorteil der mehrfachen,
achromatischen Phasenschiebung ist hierbei letztlich die Erhöhung der
Sensitivität
des Verfahrens und die Erhöhung
der spektralen Auflösung
für den
gesamten Spektralbereich mit.
Wird
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur konfokalen Spektral-Interferometrie nach einer Messung eines
Objektdetails vorzugsweise eine einfache oder mehrfache Veränderung
des Abstandes des Abtastkopfes zum Objekt durchgeführt und
nach der Veränderung
erneut gemessen, ist auch für
die optische Tomografie mit dem chromatisch-konfokalen Ansatz ein
Verfahren gegeben, welches Informationen über die Änderung von Absorption, Rückstreuung und
Reflexion sowohl über
der Tiefe als auch der Wellenlänge
des Objektdetails, also spektrale Informationen, gewinnen lässt. Es
können
so für
die Absorption, Rückstreuung
und Reflexion die spektralen Abhängigkeiten
zumindest näherungsweise
ermittelt werden. So kann erreicht werden, dass für jede Tiefe
oder für
jedes Objektdetail mehr als Licht nur einer Wellenlänge oder
eines eng begrenzten Spektralbereiches zur Anwendung kommt. Es wird
bei einem anderen Abstand des Abtastkopfes zum Objekt jeweils auch
ein Wavelet mit einer anderen Schwerpunktwellenlänge detektiert. Dieses Vorgehen
kann sehr wesentliche spektrale Informationen über das Objektdetail und somit
auch über
das gesamte Objekt liefern, wobei die Nutzung eines Modells der
räumlich
verteilten spektralen Eigenschaften des Objekts sehr nützlich ist.
Ein Anwendungsbeispiel dafür
kann die Bestimmung des Grades der Durchblutung eines Gewebebereiches
bei einem Menschen während
einer medizinischen Behandlung sein.
Weiterhin
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur konfokalen Spektral-Interferometrie
auch durch achromatische adaptive Optik im Fokussier-System, beispielsweise
durch einen in das Fokussier-System integrierten, vorbestimmt steuerbaren
Membranspiegel, das Ensemble der aufgespalteten Foki in der Tiefe
einmal oder mehrfach – wie
bei der vordem beschriebenen, mechanisch verursachten Abstandsänderung – verschoben
werden und nach jeder Verschiebung ein Datensatz aufgenommen und
ausgewertet werden. Dabei ist die Krümmung des Membranspiegels vorbestimmt
einstellbar gemacht. Auch dies ermöglicht, vergleichbar mit der Änderung
des Abstandes des Tastkopfes, die Erfassung von Objektdetails mit
unterschiedlichen Schwerpunktwellenlängen im Wavelet. Dadurch wird
wie vordem beschrieben eine Aussage über die spektralen Eigenschaften
von Objektdetails und des gesamten Objekts möglich.
Darüber hinaus
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur konfokalen Spektral-Interferometrie
vorzugsweise der Grad der chromatischen Tiefenaufspaltung vorbestimmt
veränderbar
gemacht. Dies erfolgt vorzugsweise elektronisch gesteuert. Damit
besteht die Möglichkeit,
das Verfahren an ein ausgewähltes
Objekt oder Objektdetail optimal hinsichtlich der Tiefenauflösung und
der spektralen Analyse anzupassen.
2. Merkmale
zur Anordnung
Bei
einer Anordnung zur konfokalen Spektral-Interferometrie mit einem
spektralen Zweistrahl-Interferometer, insbesondere auch zur Erfassung
des Abstandes, des Profils und der Form und auch zur Optischen Kohärenz-Tomografie
(OCT) und/oder -Mikroskopie (OCM) von biologischen und technischen
Objekten in Auf- und/oder Durchlicht mit einer Multiwellenlängen-Quelle
elektromagnetischer Strahlung oder einer Vielzahl von Multiwellenlängen-Quellen
und mit mikroskopischer Abbildung der Objektoberfläche und/oder
des Inneren des Objektvolumens mittels Fokussier-Systems auf einen
gerasterten Empfänger
elektromagnetischer Strahlung ist dem gerasterten Empfänger ein
dispersives Spektrometer vorgeordnet.
Erfindungsgemäß wird dem
spektralen Zweistrahl-Interferometer eine chromatisch-konfokale
Anordnung im Abbildungsstrahlengang des Fokussier-Systems zur Objektbeleuchtung
und Objektdetektion zugeordnet.
Dabei
sind im Referenzstrahlengang keine Komponenten angeordnet, die eine
chromatisch-konfokale Tiefenaufspaltung
bewirken, denn über
den Referenzstrahlengang soll das Licht von allen Wellenlängen des nutzbaren
Spektralbereiches für
die Interferenz mit dem Objektlicht zur Verfügung gestellt werden. Dagegen überdeckt
das Objektlicht, also das aus dem Objektstrahlengang zurückkommende
Licht, den nutzbaren Spektralbereich wegen der konfokalen Diskriminierung
in der Regel nicht vollständig.
Als
Weißlichtquelle
wird beispielsweise ein fasergekoppelter Weißlicht-Kontinuumslaser eingesetzt. Auch
Weißlicht-Laser
mit einer spektralen Kamm-Charakteristik sind einsetzbar, wenn nur
hinreichend viele Emissions-Linien im genutzten Spektrum vorhanden
sind. Es können
aber auch eine oder mehrere fasergekoppelte Superlumineszenz-LEDs
(SLDs) zur Anwendung kommen.
Die
Halbwertsbreite des konfokalen Signals FWHM folgt bekannterweise
aus der Gleichung (2)
mit der
jeweiligen Wellenlänge λ und dem
Aperturwinkel α der
numerischen Apertur sin α des
Fokussier-Systems sowie dem Brechungsindex n.
Bei
Fokussier-Systemen mit einer hohen numerischen Apertur NA, NA > 0,5, und bei elektromagnetischer
Strahlung im sichtbaren- oder nahen infraroten Spektralbereich kann
so eine Tiefendiskriminierung von deutlich besser als 10 μm für Objektdetails
erreicht werden. Das absolute Minimum kann unter 1 μm liegen,
s. a. Gleichung (2). Insbesondere kann im blauen oder violetten
Spektralbereich, einschließlich
des ultravioletten Spektralbereichs, wegen der kleinen Wellenlänge eine
hohe Tiefenauflösung
ermöglicht
werden. Jedoch muss dies auch stets im Zusammenhang mit der eingesetzten
Algorithmik zur Auswertung der optischen Daten und den dabei auftretenden
Einflüssen
des Umfeldes betrachtet werden.
Dabei
muss folgende Bedingung für
die Generierung zuverlässig
auswertbarer optischer Signale eingehalten sein:
Der Abstand
des Fokussier-Systems zur optischen Grenzfläche oder zur Oberfläche des
Objektvolumens sowie der Brechungsindex sollten nicht zu stark von
den Werten abweichen, welche dem Design des optischen Abtastkopfes
zu Grunde liegen. Insbesondere sollte bei einem Brechungsindex n
größer 1, also
wenn eine Flüssigkeit
die Oberfläche
des Objektvolumens bedeckt, der optische Weg zumindest näherungsweise
den Nennwerten des optischen Abtastkopfes entsprechen. Dies ist
wegen der sonst nicht eliminierten sphärischen Aberration ein Problem,
da dadurch die Modulation im Signal stark absinken kann. Eine Möglichkeit
zur Reduzierung dieser Fehlanpassung stellt hier auch das gesteuerte
Verringern der numerischen Apertur des Fokussier-Systems im Anfahrvorgang
dar, beispielsweise durch eine den Durchmesser der Pupille des Fokussier-Systems steuernde
Blende, welche auch den Durchmesser der Pupille verringern kann.
Das
optische Design des Fokussier-Systems ist also vorzugsweise so durchgeführt, dass
bei der Ausbildung von Fokusflecken jeder Wellenlänge der
für die
Auslesung genutzten elektromagnetischen Strahlung im Objektvolumen
die sphärische
Aberration hinreichend klein gemacht ist, damit in jeder Tiefe des
Objektvolumens reflektierte oder gestreute fokussierte elektromagnetische
Strahlung eine hinreichend gering aberrierte Wellenfront liefern
kann, die dadurch mit einer im Interferometer kohärent erzeugten
Referenzwelle zur signaltechnisch hinreichend gut auswertbaren Interferenz
gelangen kann.
Bei
hinreichend kleiner sphärischer
Aberration für
alle im Fokussier-System genutzten Wellenlängen kann ein hinreichend gut
moduliertes Interferenzsignal auch für alle – jeweils zumindest näherungsweise
entlang einer Geraden in der Tiefe des Objektvolumens durch chromatische
Tiefenaufspaltung separierten – Fokusflecken,
die reflektiert oder gestreut werden, gebildet werden. Die zumindest
näherungsweise
Eliminierung der sphärischen
Aberration für
alle genutzten Wellenlängen
ermöglicht
die Überwindung
des bekannten Problems des recht stark begrenzten Tiefenerfassungsbereiches
von beispielsweise nur +/– 100 μm bei hochaperturigen
Fokussier-Systemen, z. B. bei einer numerischen Apertur von 0,55
und einer Wellenlänge
des Lichts von 780 nm, aufgrund der sphärischen Aberration ohne die
Nutzung aktiver Optik wie beispielsweise steuerbare Membranspiegel.
Bei
dem erfinderischen Ansatz ist also für jede Wellenlänge die
sphärische
Aberration durch das Design des chromatisch längsaufspaltenden Fokussier-Systems
hinreichend klein gemacht, so dass ein hinreichend großer Tiefenerfassungsbereich
erreichbar ist. Dieser kann beispielsweise +/– 300 μm bei einer numerischen Apertur
von 0,7 betragen. Dabei kommen im chromatisch längsaufspaltenden Fokussier-System
vorzugsweise diffraktive oder refraktive optische Elemente oder
eine Kombination derselben zum Einsatz.
Beim
Einsatz einer Weißlicht-Kontinuums-Quelle,
beispielsweise ein Weißlicht-Kontinuums-Laser, und
einer Sensorzeile mit einer hoher Anzahl von Sensorelementen, deren
Sensorelemente parallel und damit sehr schnell ausgelesen werden,
kann die Forderung nach der genauen Abstandsposition des Abtastkopfes etwas
entschärft
werden, da in jedem Fall ein Objektdetail von einem Fokusfleck getroffen
wird, auch wenn die Wellenlänge
des jeweils zumindest näherungsweise
beugungsbegrenzten Fokusflecks für
dieses Objektdetail etwas variieren kann. Die Wellenlänge des
Fokusflecks ist also bei Änderung
des Abstandes zum Objektdetail, durch welche Gründe auch immer, innerhalb bestimmter
Grenzen gleitend. Das verbessert die Robustheit der Messung beispielsweise
gegenüber
Vibrationen erheblich.
Die
Auswertung des Interferenzsignals erfolgt vorzugsweise mittels Gitter-Spektrometers
mit mindestens einer Sensorzeile für elektromagnetische Strahlung,
vorzugsweise einer schnellen Fotodiodenzeile, die im Millisekunden-,
Sub-Millisekunden- Mikrosekunden- oder auch im Sub-Mikrosekundenbereich
auswertbare Signale liefern kann, sowie sehr hoher Sensitivität. Es kann
aber auch ein Linienspektrometer mit einer hochempfindlichen, gekühlten Flächenkamera
oder auch mit einer Photomultiplier-Kamera eingesetzt werden. Bei Einsatz
eines Linienspektrometers wird das Licht aus dem Objektvolumen entlang
einer Linie erfasst.
Dabei
stellt der Zeilensensor, also die spektrale Achse, die λ-Achse dar,
wobei λ die
Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung darstellt. Der Chip der Fotodiodenzeile
kann auch eine Intelligence-on-Chip-Funktionalität aufweisen. Mit einem Parallelzugriff
auf die einzelnen Sensorelemente kann so mittels festverdrahteten
Prozessoren eine extrem schnelle Auswertung der Spektren, also hier
der Wavelets, durchgeführt
werden.
Für jede Tiefe
eines Objektdetails im Objektvolumen oder an der Oberfläche des
Objekts innerhalb des auswertbaren Bereiches des Objektvolumens
gibt es also Licht einer genau passenden Wellenlänge, die genau am Objektdetail
einen Fokus bildet, so dass sich stets ein zumindest näherungsweise
beugungsbegrenzter Fokusfleck ausbilden kann, wobei die Wellenlänge des
Lichtes etwas variieren kann. Genau in diesem Wellenlängenbereich
entsteht auf diesem Zeilensensor jeweils ein Wavelet, wobei die
genau passende Wellenlänge zumindest
näherungsweise
die Schwerpunktwellenlänge
des Wavelets darstellt. Im Minimum genügen drei Sensorelemente geeigneten
lateralen Abstandes, um die Existenz eines Wavelet mit zumindest
näherungsweise
bekannter Frequenz zu erkennen. Besser ist es jedoch, vier bis acht
Sensorelemente geeigneten lateralen Abstandes zu verwenden, um die
Existenz eines Wavelets mit zumindest näherungsweise bekannter Frequenz
sicher zu erkennen. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Phasendifferenz
zwischen zwei – von direkt
benachbarten Sensorelementen – abgetasteten
Bereichen des Wavelets zumindest näherungsweise 90 Altgrad, entsprechend π/2, beträgt. Bestimmt
wird die Signalamplitude und die Position des Wavelets auf der Wellenlängenachse,
welche mittels bekannten Zusammenhangs zwischen Wellenlänge und
Tiefenposition der Foki die Tiefeninformation liefert.
3. Weitere
Merkmale vorwiegend zur Anordnung
Bei
einer Anordnung zur konfokalen Spektral-Interferometrie mit einem
spektralen Zweistrahl-Interferometer, insbesondere auch zur Erfassung
des Abstandes, des Profils und der Form und zur dreidimensionalen
optischen Kohärenz-Mikroskopie
(3D-OCM) von biologischen Objekten kann die diffraktiv-optische
Zonenlinse in der Pupille in der abgewandten Brennebene des Fokussier-Objektivs
angeordnet sein. Damit ist die numerische Apertur des Lichtes aller
Wellenlängen
gleich. Es kann die Pupille aber auch für längerwelliges Licht durch ein
chromatisches Filter mit radialer Abhängigkeit, auch als chromatische
Apodisation bekannt, etwas größer gemacht
sein, da so die beugungsbegrenzte laterale Ausdehnung für Foki längerwelligen
Lichts der des kürzerwelligen
Lichts angeglichen werden kann.
Die
diffraktiv-optische Zonenlinse ist vorzugsweise elektronisch steuerbar
ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch ein Phase-mostly-LCD
oder ein Phase-only-Digital-Micro-Mirror-Device (DMD) geschehen.
Weiterhin
ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie dem Interferometer ein vorzugsweise
fasergekoppeltes Zeilen-Spektrometer nachgeordnet.
Weiterhin
ist vorzugsweise bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur konfokalen
Spektral-Interferometrie
mindestens ein optisches Element im kollimierten Referenzstrahlengang
mit dispersivem Material angeordnet. Dies ermöglicht eine Gangunterschiedsanpassung
zur Anpassung der Frequenz der Wavelets über der Wellenlänge. Dabei
ist das optische Element mit dispersivem Material im kollimierten
Referenzstrahlengang vorzugsweise als eine Planparallelplatte ausgebildet.
Weiterhin
ist vorzugsweise bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur konfokalen
Spektral-Interferometrie
im kollimierten Referenzstrahlengang ein Diffraktionsmodul mit mindestens
zwei parallel zueinander positionierten Phasengittern angeordnet.
Bei
Anwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers kann der optische Gangunterschied
sowohl im kollimierten Referenz- als auch im kollimierten Objektstrahlengang
mittels mindestens eines verschiebbaren Tripelreflektors, der vorzugsweise
außeraxial
genutzt wird, eingestellt werden.
Bei
Anwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers kann auch die Gangunterschiedsvariation über der
Wellenlänge
sowohl im kollimierten Referenz- als auch im kollimierten Objektstrahlengang
mittels mindestens des verschiebbaren Tripelreflektors und vier
parallel zueinander angeordneten und verschiebbaren Phasengittern,
die vorzugsweise in der ersten Beugungsordnung genutzt werden, vorbestimmt
eingestellt werden.
Vorteilhaft
kann für
die CC-SI bei der Applikation für
die Detektion des Inneren eines Objekts die Einhaltung folgender
Bedingung sein:
Der mittlere optische Gangunterschied im Referenzarm
eines Interferometers soll vorzugsweise so eingestellt sein, dass
sich – beim
Auftreffen eines Bündels
mit der Wellenlänge λ + Δλ auf ein
streuendes Detail im Objektinneren – eine Änderung der Phase von zumindest
näherungsweise π/2 ergibt
im Vergleich zu einem Bündel
mit der Wellenlänge λ, welches
auf dasselbe streuende Detail trifft, wobei das Licht mit der Wellenlänge λ + Δλ vom benachbarten
Sensorelement des Spektrometers detektiert wird.
Es
kann die Periode eines Wavelets unter der Einhüllenden bereits mit vier Sensorelementen
schon recht gut abgetastet werden und die vorhandene Signalamplitude
des Wavelets somit sicher bestimmt werden. Diese Einstellung des
optischen Gangunterschieds kann beispielsweise mittels axial verschiebbaren
Retroreflektors im Referenzarm des Interferometers erfolgen. Weiterhin
wird die Position des Mittenmaximums der Einhüllenden auf der Wellenlängenskala
bestimmt, um die Tiefenposition des lichtstreuenden Objektelements bestimmen
zu können.
Es
kann der Spektralbereich von 500 nm bis ca. 700 nm genutzt werden.
Eine Vergrößerung der
Tiefe des detektierbaren Volumens im sichtbaren Spektralbereich
setzt auch eine Erhöhung
der spektralen Auflösung
voraus. Dies macht den Einsatz hinreichend starker, vorzugsweise
fasergekoppelter Weißlichtquellen und
hochempfindlicher Sensorelemente sehr zweckmäßig.
Die
Brennweite des Fokussier-Systems ist in weiten Grenzen frei wählbar. Je
größer die
Brennweite gemacht ist, umso geringer ist die – für einen bestimmten Tiefenbereich – durch
die Diffraktion aufzubringende Brechkraft. Grundsätzlich einfacher
ist es deshalb, das Fokussier-System mit nicht zu kurzer Brennweite
zu gestalten. Das führt
jedoch andererseits zu einem großen Durchmesser des Fokussier-Systems
und damit großem
Bauvolumen des optischen Tastkopfes.
Dem
Abtastkopf kann zur Erzeugung einer Relativbewegung des Abtastbündels zum
Objekt – wie
bei der OCM üblich – ein lateral
arbeitender 1D- oder auch 2D-Scanner in Beleuchtungsrichtung zugeordnet
sein, der sich dann vorzugsweise mit seinen Spiegeln zumindest näherungsweise
in der Fourier-Ebene des Fokussier-Objektivs des Fokussier-Systems
oder in einer zu dieser optisch konjugierten Ebene befindet.
Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie sind vorzugsweise zur Eliminierung
der tiefenabhängigen
sphärischen
Aberration durch eine wellenlängenabhängige Wellenfrontformung
diffraktive oder refraktive optische Elemente oder eine Kombination
derselben im chromatisch tiefenaufspaltenden Fokussier-System angeordnet.
Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie sind vorzugsweise zur Erzeugung
einer achromatischen Phasenschiebung diffraktive oder refraktive
optische Elemente oder eine Kombination derselben im chromatisch
tiefenauf spaltenden Fokussier-System angeordnet.
Weiterhin
kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie
nach einer Messung eines Objektdetails vorzugsweise eine Veränderung
des Abstandes des Abtastkopfes zum Objekt mit geeigneten mechanischen
Mitteln durchgeführt
werden. Anschließend
erfolgt eine Messung. So können
Informationen über
die spektrale Änderung
von Absorption, Rückstreuung
und Reflexion über
der Tiefe und der Wellenlänge
des Objektdetails gewonnen werden.
Andererseits
kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie dem
Fokussier-System eine achromatische adaptive Optik zugeordnet sein.
Diese adaptive Optik kann beispielsweise durch einen in das Fokussier-System
integrierten, vorbestimmt steuerbaren Membranspiegel das Ensemble
der aufgespalteten Foki in der Tiefe einmal oder mehrfach – wie bei
einer mechanisch verursachten Abstandsänderung – verschoben werden. Nach jeder
Verschiebung kann ein Datensatz aufgenommen und ausgewertet werden.
Dabei ist die Krümmung
des Membranspiegels vorbestimmt einstellbar gemacht. Auch dies ermöglicht,
vergleichbar mit einer Änderung
des Abstandes des Tastkopfes, die Erfassung von Objektdetails mit
unterschiedlichen Schwerpunktwellenlängen im Wavelet. Dadurch wird
wie vordem beschrieben auch eine Aussage über die spektralen Eigenschaften
von Objektdetails möglich.
Weiterhin
kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie
dem Fokussier-System eine achromatische adaptive Optik zugeordnet
sein. Diese ist vorzugsweise als vorbestimmt steuerbarer Wölb- oder
Hohlspiegel, jedoch mit hochdynamischer Änderung der lateralen Position
seiner optischen Achse, ausgebildet. Der Wölb- oder Hohlspiegel wird also
hochdynamisch dezentriert und ist dabei zumindest näherungsweise
in der Fourier-Ebene des Fokussier-Objektivs des Fokussier-Systems
oder in einer zu dieser Fourier-Ebene optisch konjugierten Ebene
angeordnet. So kann ein schneller Lateral-Scan im Objektraum erzeugt
werden. Dieser Lateral-Scan kann in X- und in Y-Richtung erfolgen, so dass ein Feld
abgetastet werden kann. Dieser Wölb-
oder Hohlspiegel kann als vorbestimmt steuerbares, achromatisches Spiegel-Array
ausgebildet sein, wobei die laterale Lage der optischen Achse desselben
vorbestimmt steuerbar gemacht ist. Die vorbestimmt steuerbare Veränderung
der Brechkraft des Wölb-
oder Hohlspiegels kann zur Tiefenanpassung der aufgespalteten Foki
genutzt werden. So können
von einem Objektdetail Wavelets mit unterschiedlicher Schwerpunktwellenlänge gebildet
werden, da sich durch die Veränderung
der Brechkraft auch die zu einem Objektdetail bestimmter Tiefe gehörende Schwerpunktwellenlänge des
Wavelets verschiebt.
Sowohl
die gleichzeitige Generierung von mehreren Punktlichtquellen als
auch die konfokale Diskriminierung des vom Objekt kommenden Lichts
kann durch eine bewegte Mikrolinsenscheibe im konfokalen System
erzeugt werden.
Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie besteht die Möglichkeit
mittels elektromagnetischer Strahlung im Nahen Infrarotbereich (NIR)
auch an elektronischen oder mikromechanischen Systemen, wie MEMS,
MOEMS, die von Halbleiterwerkstoffen umgeben und mit Halbleiterwerkstoffen
aufgebaut sind, optische Tomografie zu betreiben. Dabei kann zusätzlich auch
die äußere Form der
Systemkomponenten ermittelt werden.
Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie kann auch die Topografie
von Zähnen
im Mund eines Menschen beim Zahnarzt zumindest in Teilbereichen
hochgenau erfasst werden, da hierbei durch die Applikation der Interferometrie sowohl
eine hohe Sensitivität
erreicht werden kann als auch das Streulicht aus dem Zahninneren
durch die konfokale, Diskriminierung wirkungsvoll unterdrückt wird.
Außerdem kann
bei der Hochpräzisions-Chirurgie
mit der erfindungsgemäßen Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie auch eine Kavität, beispielsweise
das Innenohr eines Menschen oder zumindest Bereiche desselben, zumindest
teilweise hinsichtlich der Form der Kavität optisch hochgenau vermessen
werden. Dies dient beispielsweise der Erhöhung der geometrischen Genauigkeit
bei der Roboter-assistierten Implantation von einer oder mehreren
Komponenten im Innenohr zur Verbesserung des Hörvermögens. Durch die Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
kann dabei auch eine Unterscheidung der Art des optisch erfassten
Gewebes vorgenommen werden, beispielsweise zur sicheren Unterscheidung
zwischen Weichteil- oder Knochengewebe.
Weitere
Anwendungen zur dreidimensionalen Erfassung von Topografien bestehen
für die
erfindungsgemäße Anordnung
zur konfokalen Spektral-Interferometrie aufgrund der hohen Sensitivität und der
Vielfalt der gewinnbaren Informationen in der roboterassistierten
Hirnchirurgie.
