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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aufteilung von Strahlenbündeln für ein Interferometer zur
Bildgebung an stark streuenden Proben geringer Reflexion, die Teil
einer Vorrichtung zur optischen Kohärenz-Tomographie (engl. Optical
Coherence Tomography – OCT)
ist und die zumindest eine Lichtstrahlenquelle mit einem vorgegebenen
Wellenlängenbereich
und einen Detektor, einen Strahlteiler in Form einer Strahlteilerplatte,
eine Reflexionseinrichtung und eine Optik vor der Probe aufweist,
wobei das von der Lichtstrahlenquelle ausgehende Strahlenbündel auf
die Strahlteilerplatte fällt,
das geteilt wird in ein teilerdurchgängiges erstes Teilstrahlenbündel, das
zur Probe hin- und zurückgeführt wird, sowie
in ein teilerreflektiertes zweites Teilstrahlenbündel, das zur Reflexionseinrichtung
hin- und zurückgeführt wird,
wobei die zur Probe gerichtete Intensität wesentlich größer als
die zur Reflexionseinrichtung gerichtete Intensität ist.
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Herkömmliche
Anordnungen zur Aufteilung von Strahlenbündeln für Interferometer bestehen in der
Verwendung von 50:50-Strahlteilern, die dieses Teilungsverhältnis für beide
Polarisationen über
einen gewissen Wellenlängenbereich
haben.
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Eine
andere Anordnung besteht in der Verwendung von Polarisationsstellern,
die eine geeignete Polarisation im Interferometer einstellen.
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Ein
Problem besteht darin, dass dieser Steller nach jeder Veränderung
der Lage der Glasfaser neu justiert werden muss.
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Ein
Problem der ersten beiden Anordnungen besteht darin, dass keine
effektive Nutzung des Lichtes der Lichtquelle möglich ist. Weiterhin treten
bei diesen Anordnungen auch störende
Veränderungen des
Interferenzkontrastes bei Bewegung der Glasfaser auf.
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Eine
dritte Anordnung verwendet eine teildurchlässige Schicht direkt vor der
Probe. Die Anordnung aus Probe und Referenzplatte bildet dann ein Fizeau-Interferometer.
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Ein
Problem der dritten Anordnung besteht darin, dass die Referenzplatte
nicht im Fokus des Lichtstrahles liegt und deshalb chromatische
Fehler auftauchen. Ein großer
Nachteil der Anordnung ist jedoch, dass es nicht möglich ist,
nur das Referenzlicht zu vermessen, ohne die Probe vom Messort wegzubewegen.
Damit wirken sich Änderungen
in dem Spektrum der Lichtquelle und andere sich zeitlich ändernde
Effekte, z. B. Interferenzen durch Koppler oder Glasflächen im
Strahlengang, auf das Messergebnis aus.
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Anwendungen
für Vorrichtungen
für die
optische Kohärenz-Tomographie
oder Geräte
mit darin befindlichen OCT-System sind in der Druckschrift E. Koch,
P. Koch, Boiler, Popp, Mehner: Biomedizinische Technik 49, 2004,
S. 132–133,
in der Druckschrift E. Koch, Popp, Boiler, P. Koch: Fiber Optic
Distance Sensor with sub nm Axial Resolution, Biomedizinische Technik
50, 2005, S. 693–694
und in der Druckschrift Meißner,
Mehner, Popp, Fischer, E. Koch: 3D-Applicator for Optical Coherence
Tomography, Biomedizinische Technik 50, 2005, S. 697–698 beschrieben.
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In
der Interferometrie, speziell der optischen Kohärenz-Tomographie, müssen zur
Vermessung der Strukturen zwei Lichtstrahlenbündel zur Interferenz gebracht
werden. Einer der Lichtstrahlen wird dabei an einer Referenzoberfläche an einer
Reflexionseinrichtung, einem Spiegel, reflektiert, das andere Strahlenbündel von
der Probe. Insbesondere bei biologischen Proben ist die Reflexion
der Oberflächen
klein, wogegen der Spiegel nahezu 100% des Lichtes reflektiert. Üblicherweise
wird das Licht im Strahlteiler in zwei gleich starke Strahlenbündel aufgeteilt
und in dem gleichen Strahlteiler wieder vereinigt. Das bedeutet,
dass von dem eingesetzten Licht nur 50% auf die Probe gelangen und
wiederum nur 50% des dort reflektierten Lichtes zurück in den Messweg
gelangen. Aufgrund der geringen Reflexion der Probe ist damit der
Kontrast der Interferenzen sehr gering. Andererseits wird von der
Referenzseite häufig
so viel Licht erhalten, dass der Detektor gesättigt wird und deshalb ein
Abschwächer
in den Referenzstrahlengang eingebaut werden muss.
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Die
Strahlabschwächung
des Referenzstrahlenbündels
kann z. B. durch Dejustage des Spiegels im Referenzstrahl erreicht
werden. Auch wenn das dort verwendete Linsensystem achromatisch
ausgelegt worden ist, führt
dies zu einer wellenlängenabhängigen Dämpfung.
Damit ist das Verhältnis
zwischen Referenzlicht und Probenlicht abhängig von der Wellenlänge, was
die Auswertung erschwert.
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Für biologische,
eine geringe Reflexion aufweisende Proben, die weniger als 4% reflektieren, kann
eine günstige
Aufteilung und Abschwächung
erreicht werden, indem ein Strahlteiler mit einem Teilungsverhältnis von
80:20 eingesetzt wird, also 80% der Intensität auf die Probe gerichtet werden,
wogegen nur 20% in den Referenzarm gelangen. Das bedeutet, dass
vom Referenzstrahlengang ca. 4% (0,22) zurück zum Detektor
gelangen, wogegen von der Probe weniger als 3% (0,82·4% = 2,58%)
zurück zum
Detektor gelangen.
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Ein
Problem besteht darin, dass diese Überlegung zwar schon lange
existiert, aber in der Realisierung bisher immer zu großen Schwierigkeiten führte. Ursache
dafür ist
es, dass die Polarisation des einfallenden Lichtes unbekannt ist
und in faseroptischen Systemen sich häufig ändert. Strahlteiler mit einem
Teilungsverhältnis
von 80:20 sind zwar schon von vielen Herstellern erhältlich,
doch sind diese, unter dem üblicherweise
eingesetzten Ablenkwinkel von 90° für das Referenzstrahlenbündel, stark
polarisationsabhängig.
Es scheint sehr schwierig bzw. unmöglich zu sein, Strahlteiler
zu bauen, die unter dem beschriebenen Winkel für beide Polarisationen und einen
größeren Wellenlängenbereich,
wie er in Weißlichtinterferometern
verwendet wird, ein solches Teilungsverhältnis aufweisen. Erschwerend
kommt noch hinzu, dass nicht nur das Teilungsverhältnis konstant
sein muss, es darf auch für
die beiden Polarisationen nur sehr geringe Unterschiede im Phasenverlauf
geben. Ein Unterschied im Phasenverlauf von 90° irgendwo im verwendeten Wellenlängenbereich sorgt
dafür,
dass aufgrund der zweimaligen Reflexion, für die beiden Polarisationen
ein Phasenunterschied von 180° auftritt.
Das führt
dazu, dass aus konstruktiver Interferenz für die eine Polarisation destruktive
Interferenz für
die andere Polarisation wird. Damit sinkt der Interferenzkontrast
in nicht vorhersehbarer Weise, da die Aufteilung auf die beiden
Polarisationen von der Lage der lichtübertragenden Glasfaser abhängt. Ist
die Phasendifferenz über
den Wellenlängenbereich
nicht konstant, so führt
dies zu erheblichen Messfehlern bei der Auswertung der Interferenzen.
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Ein
Strahlteiler unter kleinem Winkel wird in der Druckschrift
US 4 362 361 beschrieben,
jedoch wird dabei nicht darauf eingegangen, wie das Reflexionsvermögen für beide
Polarisationen ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich hier
um einen Strahlteiler für
monochromatisches Laserlicht, so dass ein differentieller Phasengang
mit der Wellenlänge
sich gar nicht auswirken kann.
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Ein
Strahlteiler, der unter kleinen Winkeln positioniert wird, ist in
der Druckschrift
US
6 608 721 B1 beschrieben, wobei dabei Polarisations- und
Phasenabhängigkeiten
keine Rolle spielen.
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Mittels
Metall-Hybrid-Schichten wie in der Druckschrift A. R. Tumlinson,
J. K. Barton, B. Povazay, H. Sattman, A. Unterhuber, R. A. Leitgeb,
W. Drexler: Endoscope-tip interferometer for ultrahigh resolution
frequency domain optical coherence tomography in mouse colon, Optics
Express 14 (5), 2006, beschrieben, sind auch für ca. 90° Strahlablenkung weitgehend
polarisationsunabhängige
Strahlteiler herstellbar, doch verbleibt die Phasenabhängigkeit und
es entsteht ein zusätzlicher
Lichtverlust von ca. 10%.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Aufteilung
von Strahlenbündeln für ein Interferometer
zur Bildgebung an stark streuenden Proben geringer Reflexion anzugeben,
die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Lichtmengen von Probe
und Referenz auf dem Rückweg
vom Interferometer in etwa gleich groß sind, wobei das Referenzlicht
etwas stärker
als das Probenlicht sein sollte.
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Es
soll somit eine effektive Nutzung des Lichtes erreicht werden und
der Interferenzkontrast soll zum einen maximal und zum anderen unabhängig von
der Lage der Glasfaser sein.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Anordnung zur Aufteilung von Strahlenbündeln für ein Interferometer zur Bildgebung
an stark streuenden Proben geringer Reflexion ist ein Teil einer
Vorrichtung zur optischen Kohärenz-Tomographie
und weist zumindest eine Lichtstrahlenquelle mit einem vorgegebenen
Wellenlängenbereich
und einen Detektor, einen Strahlteiler in Form einer Strahlteilerplatte,
eine Reflexionseinrichtung und vor der Probe eine Optik zur Beleuchtung
und Strahlrückführung aufweist,
wobei das von der Lichtstrahlenquelle ausgehende Strahlenbündel auf
die Strahlteilerplatte fällt,
das geteilt wird in ein teilerdurchgängiges erstes Teilstrahlenbündel, das
zur Probe hin- und zurückgeführt wird,
sowie in ein teilerreflektiertes zweites Teilstrahlenbündel für einen
Referenzstrahlengang, das zur zugehörigen Reflexionseinrichtung hin-
und zurückgeführt wird,
wobei die zur Probe gerichtete Intensität wesentlich größer als
die zur Reflexionseinrichtung gerichtete Intensität ist,
wobei
gemäß dem Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 1 die Strahlteilerplatte dielektrisch ausgebildet
ist und ein auf der Strahlteilerplatte aufgebrachtes Schichtsystem
einen kleinen differentiellen Phasengang in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich aufweist
sowie derart zum einfallenden Strahlenbündel gerichtet ist, dass dessen
Einfallswinkel α zur Normalen
der Strahlteilerplatte zwischen 2,5° und 20° beträgt.
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Das
Schichtsystem kann auf einer Seite der Strahlteilerplatte aufgebracht
sein, wobei die Seite dem einfallenden Strahlenbündel zugewandt oder abgewandt
sein kann.
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Die
Schichtsystem belagfreie Seite der Strahlteilerplatte kann mit einer
Antireflexschicht für den
vorgegebenen Wellenlängenbereich
belegt sein.
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Die
Strahlteilerplatte weist eine Strahlteilung von Ip =
k·Ii mit k > 0,7
auf, wobei Ip die Intensität des zur
Probe geführten,
teilerdurchgängigen
Teilstrahlenbündels
und Ii die Intensität des zur referenzbezogenen
Reflexionseinrichtung geführten,
teilerreflektierten Teilstrahlenbündels sind.
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Das
teilerreflektierte Teilstrahlenbündel
liegt in einem Winkel 2α von
5° bis ca.
40° zum
einfallenden Strahlenbündel,
wobei durch den kleinen Einfallswinkel α von ca. 2,5° bis ca. 20° zur Normalen der Strahlteilerplatte
die Polarisationsabhängigkeit,
die bei einem Einfallswinkel α von
0° zur Normalen
der Strahlteilerplatte verschwindet, noch sehr klein ist.
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Der
Phasengang kann sowohl durch eine vorgegebene dünne Schicht des Schichtsystems
als auch durch Wahl vorgegebener dielektrischer Materialien über einen
großen
Wellenlängenbereich
sehr klein eingestellt werden, wobei bei dem kleinen Einfallswinkel α zwischen
2,5° und
20° zur
Normalen auch die an der Strahlteilerplatte auftretende Reflexion
für die
beiden Polarisationen nahezu gleich ist.
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Das
Schichtsystem mit einer Reflexion von ca. 20% der Intensität des einfallenden
Strahlenbündels
lässt sich
durch eine oder zwei Lagen aus dielektrischem Material auf einer
Oberfläche
des Strahlteilers erzeugen. Weil nur wenige Lagen verwendet werden,
kann der Phasengang klein gehalten werden. Bei diesem kleinen Winkel
ist auch die Reflexion für
die beiden Polarisationen nahezu gleich. Die Unterschiede der Reflexionen
betragen weniger als 10%.
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Zwischen
der Strahlteilerplatte und der Reflexionseinrichtung kann im Referenzstrahlengang eine
Extinktionsoptik zur zusätzlichen
steuerbaren Abschwächung
des an der Strahlteilerplatte teilerreflektierten Teilstrahlenbündels angeordnet
sein.
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Die
stark streuenden Proben geringer Reflexion können biologische Proben oder
Objekte sein.
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Die
Strahlteilerplatte kann graduell oder stufenweise variabel ausgebildet
sein, wobei durch eine Phasenverschiebung eine Aufteilung des einfallenden
Strahlenbündels
im Verhältnis
von 10:90 und 30:70 zwischen teilerreflektiertem Teilstrahlenbündel und
teilerdurchgängigem
Teilstrahlenbündel
erreichbar ist.
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Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels einer Zeichnung näher
erläutert:
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung zur Aufteilung von Strahlen
für ein
Interferometer zur Bildgebung an stark streuenden, vorzugsweise
biologischen Proben geringer Reflexion.
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In 1 ist
eine Anordnung 1 zur Aufteilung von Strahlenbündeln für ein Interferometer
zur Bildgebung an einer stark streuenden Probe 2 geringer Reflexion
dargestellt, wobei die Anordnung 1 Teil einer Vorrichtung
zur optischen Kohärenz-Tomographie
ist und zumindest eine Lichtstrahlenquelle 3 mit einem
vorgegebenen Wellenlängenbereich
und einen Detektor 12, einen Strahlteiler 4 in
Form einer Strahlteilerplatte, eine Reflexionseinrichtung 5 und vor
der Probe 2 eine Optik 16 zur Beleuchtung und Strahlrückführung aufweist,
wobei das von der Lichtstrahlenquelle 3 ausgehende Strahlenbündel 7 auf die
Strahlteilerplatte 4 fällt,
das geteilt wird in ein teilerdurchgängiges erstes Teilstrahlenbündel 8,
das zur Probe 2 hin- und zurückgeführt wird, sowie in ein teilerreflektiertes
zweites Teilstrahlenbündel 9 für einen
Referenzstrahlengang 14, das zur zugehörigen Reflexionseinrichtung 5 hin-
und zurückgeführt wird, wobei
die zur Probe 2 gerichtete Intensität etwa 80% und die zur Reflexionseinrichtung 5 gerichtete
Intensität
etwa 20% in Bezug auf die Intensität des einfallenden Strahlenbündels 7 beträgt.
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Erfindungsgemäß ist die
Strahlteilerplatte 4 dielektrisch ausgebildet und weist
ein auf der Strahlteilerplatte 4 aufgebrachtes Schichtsystem 10 einen
kleinen differentiellen Phasengang in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich
auf und ist derart zum einfallenden Strahlenbündel 7 gerichtet,
dass dessen Einfallswinkel α zur
Normalen 11 der Strahlteilerplatte 4 zwischen
2,5° und
20° beträgt.
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Erfindungsgemäß weist
die Strahlteilerplatte 4, wie in 1 gezeigt
ist, eine Strahlteilung von Ip = k·Ii mit k > 0,7
auf, wobei Ip die Intensität des zur
Probe 2 geführten,
teilerdurchgängigen
Teilstrahlenbündels 8 und
Ii die Intensität des zur Reflexionseinrichtung 5 geführten, teilerreflektierten
Teilstrahlenbündels 9 sind.
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Das
teilerreflektierte Teilstrahlenbündel 9 kann
in einem Winkel von 5° bis
ca. 40° zum
einfallenden Strahlenbündel 7 liegen,
wobei durch den kleinen Einfallswinkel α von ca. 2,5° bis ca. 20° zur Normalen 11 der
Strahlteilerplatte 4 die Polarisationsabhängigkeit,
die bei einem Einfallswinkel α von 0° zur Normalen
der Strahlteilerplatte 4 verschwindet, noch sehr klein
ist.
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Das
Schichtsystem 10 kann auf einer Seite der Strahlteilerplatte 4 aufgebracht
sein, wobei die Seite dem einfallenden Strahlenbündel 7 zugewandt oder
abgewandt sein kann.
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Die
Schichtsystem 10 belagfreie Seite der Strahlteilerplatte 4 kann
mit einer Antireflexschicht (nicht eingezeichnet) für den vorgegebenen
Wellenlängenbereich
belegt sein.
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Das
Schichtsystem 10 mit einer Reflexion von ca. 20% der Intensität des einfallenden
Strahlenbündels 7 kann
aus dünnem
dielektrischem Material auf der Oberfläche 15 der Strahlteilerplatte 4 bestehen.
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Durch
das aus nur einer oder sehr wenigen Schichten bestehende Schichtsystems 10 ist
der Phasengang klein und durch die Wahl vorgegebener dielektrischer
Materialien über
einen großen
Wellenlängenbereich
sehr klein einstellbar, wobei bei dem kleinen Einfallswinkel α zwischen
2,5° und
20° auch die
an der Strahlteilerplatte 4 auftretende Reflexion für die beiden
Polarisationen nahezu gleich ist.
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Der
von der Lichtstrahlenquelle 3 erzeugte Wellenlängenbereich
kann im Bereich von 600 bis 1500 Nanometer liegen.
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Zwischen
der Strahlteilerplatte 4 und der Reflexionseinrichtung 5 kann
im Referenzstrahlengang 14 eine Extinktionsoptik 13 zur
zusätzlichen
steuerbaren Abschwächung
des an der Strahlteilerplatte 4 teilerreflektierten Teilstrahlenbündels 9 angeordnet sein.
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Für die Probe 2 kann
sowohl eine auf Beleuchtung ausgerichtete Halterung 6 vorgesehen sein
als auch kann die Probe 2 ohne Halterung an den Ort der
Untersuchung mit der vorgesehenen Beleuchtung gebracht werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
es,
- – das
Probenlicht effektiver zu nutzen,
- – ein
günstiges
Verhältnis
von Probenlicht zu Referenzlicht einzustellen,
- – ein
Teilerverhältnis
zu erreichen, dass nahezu unabhängig
von der Polarisation ist,
- – eine
Phasenverschiebung zwischen den Polarisationen zur Erreichung von
Bildern mit hohem Interferenzkontrast zu vermeiden.
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- 1
- Anordnung
- 2
- Probe
- 3
- Lichtstrahlenquelle
- 4
- Strahlteiler
- 5
- Reflexionseinrichtung
- 6
- Halterung
- 7
- einfallendes
Strahlenbündel
- 8
- teilerdurchgängiges Teilstrahlenbündel
- 9
- teilerreflektierendes
Teilstrahlenbündel
- 10
- Schichtsystem
- 11
- Normale
- 12
- Detektor
- 13
- Extinktionsoptik
- 14
- Referenzstrahlengang
- 15
- Oberfläche
- 16
- Optik
- α
- Einfallswinkel