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Die
Erfindung bezieht sich auf Kurzkohärenz-Interferometrie-Verfahren
zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere
eines Auges, wobei ein Meßstrahl auf die Probe gerichtet
wird, Strahlungsteile axial relativ verzögert werden und
aus von der Probe als Probenstrahlung zurückgestreuter
oder -reflektierter Meßstrahlung ein Interferenzsignal
erzeugt wird.
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Die
Erfindung bezieht sich weiter auf eine Kurzkohärenz-Interferometervorrichtung
zur Messung zweier axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere
eines Auges, welche einen Meßstrahlengang, durch den Meßstrahlung
auf die Probe fällt, eine Abstimmungsinterferometereinrichtung
zur axialen relativen Verzögerung von Strahlungsteilen und
eine Detektoreinrichtung zum Messen eines Interferenzsignals aus
von der Probe als Probenstrahlung zurückgestreuter oder
-reflektierter Meßstrahlung aufweist.
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Zur
Vermessung transparenter oder teil-transparenter Proben, beispielsweise
des menschlichen Auges sind Kurzkohärenz-Interferometer,
die mittels optischer Kohärenztomographie (im folgenden:
OCT) arbeiten, bekannt, beispielsweise aus der
WO 2007/065670 A1 . Sie
dienen dazu, Ort und Größe von Streuzentren innerhalb
einer Probe, wie beispielsweise miniaturisierten optischen Komponenten
oder biologischem Gewebe, z. B. dem menschlichen Auge zu erfassen.
Für einen Überblick über entsprechende
Literatur zur OCT sei auf die
US 2006/0109477 A1 verwiesen. Diese Patentveröffentlichung
schildert auch die Grundprinzipien der OCT.
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Das
Prinzip der OCT umfaßt sowohl Ausführungsformen,
bei denen eine Bildgebung durch Einstrahlung und Strahlungsdetektion
durch Scannen an verschiedenen Orten quer zur Einfallsrichtung der Strahlung
erfolgt, als auch demgegenüber vereinfachte Ausführungen,
bei denen die Einstrahlung und Strahlungsdetektion nur entlang einer
unverändert bleibenden Achse vorgenommen wird und somit
axiale (d. h. 1-dimensionale) Streuprofile erzeugt werden.
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Letztere
Ausführungsform entspricht von der Bildgewinnung her einem
sog. A-Scan der Ultraschallbildgewinnung; sie wird auch als optical
coherence domain reflectometry oder Kurzkohärenzreflektometrie
(OCDR) bezeichnet. Soweit hier von OCT oder OCDR die Rede ist, sind
sowohl scannende als auch OCDR-System darunter zu verstehen.
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Zur
Erfassung größerer Objekte bzw. zur Vergrößerung
des Meßbereiches ist es bekannt, eine Interferenz mehrerer
Meßstrahlen mit jeweils einem separaten Referenzstrahl
zu nutzen oder mehrere Einzel-Meßstrahlen paarweise zu überlagern,
was auch als sogenanntes „dual beam”-Interferometer bezeichnet
wird. Dies ist aus Drexler et al., „Submicrometer
Precision Biometry of the Anterior Segment of the human Eye",
Investigative Ophthalmology & Visual
Science, June 1997, Vol. 38, No. 7 bekannt.
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Für
die OCDR sind als Varianten die Zeit-Domain OCDR (time-domain oder
TD-OCDR) mit schnell scannendem Referenzarmen und Fourier-Domain
OCDR (FD-OCDR) mit festem Referenzarm und Auswertung spektraler
Interferenzen bekannt. Letztere unterscheidet sich nochmals in eine Variante
unter Verwendung breitbandiger Lichtquellen und spektrometerbasierter
Detektion (spectral domain oder SD-OCDR) und in eine Variante unter Verwendung
spektral durchstimmbarer Lichtquellen und breitbandiger Detektoren
(swept-source oder SS-OCDR).
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Bei
der TD-OCDR wird die Probe mit einer kurzkohärenten Strahlung
beleuchtet, und ein Interferometer sorgt dafür, daß von
der Probe rückgestreute Strahlung mit Strahlung, die einen
Referenzstrahlengang durchlief, interferieren kann. Dieses Prinzip,
das schon relativ früh in Huang, et al., Micron-Resolution
Ranging of Cornea Anterior Chamber by Optical Reflectometry, Lasers
in Surgery and Medicine 11, 419–425 (1991), beschrieben
wurde, kann ein tiefenaufgelöstes Streuprofil der Probe
aufzeichnen, wenn die Länge des Referenzstrahlenganges verstellt
wird, wodurch ein der Kohärenzlänge der verwendeten
Strahlung entsprechendes Fenster in der Probe verstellt wird. Wird,
wie in Huang, et al., Science 254: 1178–1181, 1991,
beschrieben, der Beleuchtungsstrahl zusätzlich relativ
zur Probe bewegt, kann ein tiefenaufgelöstes Schnittbild
(Tomogramm) der Probe gewonnen werden, d. h. es wird lateral scannende
optische Kohärenztomographie (TD-OCT) realisiert. Die Größe
dieses Fensters definiert die maximal erreichbare Tiefenauflösung.
Für eine gute Tiefenauflösung sind also möglichst
kurzkohärente, d. h. spektral breite Strahlungsquellen
erforderlich. Aufgrund des Meßverfahrens wird zu jeder Zeit
nur ein Bruchteil der rückreflektierten Strahlung detektiert,
nämlich diejenige, die aus der Meßtiefe der Probe
zurückgestreut wurde, welche zur Länge des Referenzstrahlenganges
korrespondiert. Bei bekannten Aufbauten werden deshalb über
99% der von der Probe zurückgestreuten Photonen für
die Messung gar nicht erfaßt.
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Eine
höhere Ausbeute erhält man bei der SD-OCDR. Hier
wird die Länge des Referenzstrahlenganges nicht mehr geändert,
statt dessen wird die zur Interferenz gebrachte Strahlung spektral
aufgelöst detektiert. Die Tiefeninformation der Probe,
d. h. das tiefenaufgelöste Kontrast-Signal wird aus dem spektral
aufgelösten Signal berechnet. Da ein Mechanismus zur Verstellung
der Weglänge des Referenzstrahlenganges nicht mehr nötig
ist, ist die SD-OCDR-Technik in der Lage, in allen Tiefen der Probe
gleichzeitig zu messen. Die dadurch erreichte höhere Ausbeute
der rückgestreuten Strahlung erzielt eine bis zu 20 dB
höhere Empfindlichkeit bei gleicher Meßzeit. Nachteilig
bei SD-OCDR-Systemen ist die durch die Spektrometerauflösung
begrenzte maximale Meßbereichsgröße und
die mit der Meßtiefe steigende Empfindlichkeitsabnahme.
Auch ist der erforderliche Aufbau deutlich aufwendiger.
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Etwas
weniger zusätzlichen Aufbauaufwand benötigt die
SS-OCDR-Variante, bei der die spektrale Auflösung des Interferenzsignals
mit einem Spektrometer entfällt und statt dessen die Beleuchtungsquelle
spektral durchgestimmt wird. Dieses Verfahren ist, wie SD-Systeme
auch, durch die höhere Photonenverwertung sensibler als
TD-OCDR, wie M. Choma et al., "Sensitivity advantage
of swept source and Fourier domain optical coherence tomography," Opt.
Express 11, 2183–2189 (2003), erläutern.
Die maximale Auflösung entspricht bei SS-OCDR dem durchstimmbaren
Wellenlängenbereich der Strahlungsquelle, und die Meßtiefe,
also der axiale Meßbereich, ist durch die Kohärenzlänge,
d. h. Linienbreite, der verwendeten Strahlung vorgegeben.
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Eine
besonders kompakte SS-OCDR-Variante findet sich in
S. Vergnole
et al., „Common Path swept-source OCT interferometer with
artifact removal", in Coherence Domain Optical Methods
and Optical Coherence Tomography in Biomedicine XII, ed. J. Izatt
et al., Proc. Of SPIE Vol. 6847, 68472W, 2008. Hier wird
Referenzstrahlung durch Reflexion am Ende einer teilreflektierenden
Lichtleitfaser, die die Meßstrahlung auf die Probe leitet,
gewonnen. Die von der Probe rückreflektierte Strahlung
und die Referenzstrahlung werden dann durch ein Interferometer geleitet,
deren Arme unterschiedliche Weglänge haben, und dann überlagert.
Der Weglängenunterschied definiert den Abstand, welchen
der erfaßte Probenbereich vom teilreflektierenden Ende
der Lichtleitfaser hat. Um Abstände unterschiedlicher Probenbereiche
jenseits der OCDR-Meßtiefe zu erfassen, müssen
mehrere Messungen erfolgen. Die Verwendung eines Faserendreflexes
als Referenz ist auch aus der
US 2007/0008545 A1 bekannt.
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Bei
allen OCDR-Varianten ist der Meßbereich mit der Meßauflösung
und/oder Meßempfindlichkeit in gewisser Weise verknüpft.
Beispielsweise ist bei SD-OCDR das Verhältnis zwischen
realisierbarer Spektrometerauflösung und abzudeckender Spektralbreite begrenzt.
Bei TD-OCDR muß zwar auch eine ausreichende spektrale Bandbreite
bzw. ausreichend kurze Kohärenzlänge der Strahlung
die Auflösung interessierender Probenstrukturen erlauben,
aber der Meßbereich ist letztendlich über die maximal
realisierbare Scangeschwindigkeit und Abtastrate mit der Meßempfindlichkeit
und Meßauflösung bei gegebener Meßdauer
verknüpft. Zur Behebung der durch die Verknüpfung
gegebenen Limitierung schildert die
WO 2007/065670 A1 , auf
geschickte Weise mehrere Interferometereinrichtungen zu kombinieren,
die jeweils aus einem eigenen Referenzstrahlengang sowie einem zugeordneten
Probenstrahlengang aufgebaut sind. Durch unterschiedliche Abstimmung
dieser mehreren, zwar in einer Vorrichtung zusammengefaßten,
jedoch eigenständigen Interferometereinrichtungen kann
gleichzeitig an verschiedenen Stellen im Auge gemessen und so der Meßbereich
vergrößert werden. Die Schrift schildert weiter
verschiedene Ansätze, um die Strahlungen in den zusammengefaßten
Interferometern zu unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der
Polarisation der Strahlung oder der Wellenlänge. Eine solche
Unterscheidung ist auch in der
WO 2001/038820 A1 beschrieben, welche sich
allerdings nur mit TD-OCDR befaßt, also bewegte Elemente
zur Verstellung der Referenzstrahlenganglänge benötigt.
Das Prinzip, mehrere Referenzstrahlengänge unterschiedlicher Länge
zu verwenden, findet sich auch in der
US 2005/0140981 , oder in der
US 6.198.540 , die jeweils TD-OCDR
zur Meßbereichsvergrößerung betreffen und
mehrere, individual angepaßte Referenzstrahlengänge
unterschiedlicher Länge verwenden.
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Drastisch
steigt der Aufbau, wenn eine Bewegungen oder Pulsationen unterworfene
Probe, wie z. B. das menschliche Auge, erfaßt werden soll.
Dann muß entweder eine so schnelle Messung erfolgen, daß in
der Meßdauer keine störenden Bewegungen oder Pulsationen
auftreten, oder solche Einflüsse müssen kompensiert
werden.
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Eine
Möglichkeit zur Kompensation sind die bereits erwähnten
dual-beam-Aufbauten/Verfahren. Hier wird ein Meßstrahl
aus zwei Strahlanteilen aufgebaut, die miteinander interferenzfähig
wären, wenn sie nicht axial gegeneinander verschoben wären. Diese
axiale Verschiebung der Anteile der einfallenden Meßstrahlung
wird von einem Abstimmungsinterferometer erzeugt und passend zur
axialen Beabstandung der zu messenden Proben-Bereiche eingestellt.
Die Rückstreuung oder -reflektion an der Probe hebt den
axialen Versatz für die Strahlungsanteile dann wieder auf
und die Probenstrahlung kann dann ohne weiteres interferieren. Man
erhält so ein Interferenzsignal nach den bekannten OCDR-Prinzipien.
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Die
bereits genannte
US 2006/0109477 schließlich
erlaubt es überhaupt nicht, mehrere Bereiche einer Probe
zu erfassen, die axial weiter beabstandet sind, als die Meßtiefe
groß ist, sondern widmet sich einer möglichst
großen Empfindlichkeit, wozu 2 × 2 und 3 × 3-Phaserkoppler
in Kombination mit einer Differenzsignalauswertung von Quadraturkomponenten,
zur Realisierung der balanced detection eingesetzt werden.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kurzkohärenz-Interferometeranordnung
bzw. ein Kurzkohärenz-Interferometrie-Verfahren zu schaffen,
das sowohl hinsichtlich axialer Probenbewegungen unempfindlich ist,
als auch eine hohe Ausbeute der eingestrahlten und reflektierten Strahlung
bei teilabsorbierenden oder -reflektierenden Objekten zuläßt
und effektive Rauschunterdrückung erlaubt.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Kurzkohärenz-Interferometer-Vorrichtung
zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere
eines Auges, welche einen Meßstrahlengang, durch den Meßstrahlung
auf die Probe fällt, eine Abstimmungsinterferometereinrichtung
zur axialen relativen Verzögerung von Strahlungsteilen,
wobei die axiale relative Verzögerung der axialen Beabstandung
der Bereiche zugeordnet ist, und eine Detektoreinrichtung zur Erzeugung
eines Interferenzsignals aus von der Probe als Probenstrahlung zurückgestreuter
oder -reflektierter Meßstrahlung aufweist, wobei die Abstimmungsinterferometereinrichtung
die Probenstrahlung in zwei Strahlungsteile aufteilt, axial relativ
verzögert und interferierend überlagert und bei
der Überlagerung Einzelstrahlungen bildet, die Quadraturkomponenten
der Probenstrahlung repräsentieren, und die Detektoreinrichtung
die Einzelstrahlungen detektiert.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe weiter durch ein Kurzkohärenz-Interferometrie-Verfahren
zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere
eines Auges, wobei ein Meßstrahl auf die Probe gerichtet
wird, Strahlungsteile axial relativ verzögert werden, die
axiale relative Verzögerung der axialen Beabstandung der
Bereiche zugeordnet ist, und aus von der Probe als Probenstrahlung
zurückgestreuter oder -reflektierter Meßstrahlung
ein Interferenzsignal erzeugt wird, die Probenstrahlung in zwei
Strahlungsteile aufgeteilt wird und diese axial relativ verzögert
und interferierend überlagert werden, bei der Überlagerung
Einzelstrahlungen gebildet werden, die Quadraturkomponenten der
Probenstrahlung repräsentieren, und die Einzelstrahlungen
detektiert werden. Unter Quadraturkomponentendetektion wird dabei,
wie dem Fachmann bekannt, eine Detektion mehrerer Interferenzsignale aus
verschiedenen Überlagerungen zweier Teilstrahlen gemeint
ist, in denen unterschiedliche Phasenlagen zwischen den Teilstrahlen
vorliegen, einschließend des Falles von 180°,
der allgemein als „balanced detection” bezeichnet
wird.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau verzichtet also auf das
den bekannten Dual-Beam-Prinzipien eigene Vorinterferometer, das
zur Bereitstellung einer Strahlung verwendet wird, welche aus zwei
gegeneinander verzögerten Anteilen besteht, die nach Durchgang
durch die Probe interferieren können. Der erfindungsgemäße
Aufbau sendet nun nicht einen aus zwei gegeneinander verzögerten
Anteilen „dual-beam” auf die Probe, sondern eine
Meßstrahlung, die in ihrer axialen Zusammensetzung homogen
ist. Die Interferenzfähigkeit wird erst nach der Rückreflexion
oder Rückstreuung durch das Abstimmungsinterferometer hergestellt.
Die Problematik, daß Vorinterferometer zwangsläufig
Strahlung an zwei Ausgängen des Interferometers absenden,
und somit verminderte Effizienz haben, ist damit vermieden. Das
erfindungsgemäße „Nachinterferometer” mit mehreren
Ausgängen zum Wellenlängenabgleich erlaubt es,
zusätzliche Phaseninformationen zu gewinnen, und darüber
hinaus eine rückreflexfreie Interferometereinrichtung.
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Das „Nachinterferometer”,
d. h. die auf die Probenstrahlung wirkende Abstimmungsinterferometereinrichtung,
welche erst die bereits von der Probe rückkehrende Probenstrahlung
in unterschiedlich verzögerte Anteile aufteilt, ist in
Kombination mit mehreren Ausgängen zur Erzeugung phasenverschobener
Interferenzsignale ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Der erfindungsgemäße
Ansatz kommt dabei ohne feststehende Referenz aus, da die Referenzstrahlung
einer der an der Probe reflektierten Anteile ist. Dadurch ist automatisch
eine Unabhängigkeit von Probenbewegung gegeben. Weiter kann
der Abstand der Probenbereiche in einer Messung erfaßt
werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß keine
Anpassung der Polarisationszustände einer Referenzstrahlung
und der Probenstrahlung notwendig ist.
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Die
Erfindung kombiniert in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren
das „Dual-Beam”-Prinzip mit einer Detektion phasenverschobener
Quadraturkomponenten der Interferenzsignale, insbesondere in Form
von Differenzsignalen bei einer „balanced detection”.
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Diese
Detektion erlaubt insbesondere bei TD-OCDR oder SS-OCDR eine Unterdrückung
von störenden Gleichlichtanteilen, Laserstrahlungsintensitätsschwankungen
und eine Rauschunterdrückung, wie es für die Quadraturkomponentendetektion
aus der Veröffentlichung A. Podoleanu, APPLIED
OPTICS, Vol. 39, No. 1, S. 173, „Unbalanced versus balanced
Operation in an optical coherence tomography system",
bekannt ist.
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Erfindungsgemäß ist
insbesondere eine Bestimmung von Quadraturkomponenten der Interferenzsignale
mit anderen Phasenverschiebungen als 180° möglich,
z. B. zur Unterdrückung von Spiegelartefakten bei der Rekonstruktion
von FD-Signalen, also z. B. bei SS-OCDR oder SD-OCDR. Hierzu wird auf
die
US 2004/0239943 verwiesen,
welche die Verwendung von Quadraturkomponenten allgemein betrifft.
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Der
erfindungsgemäße Ansatz erreicht eine Realisierung
des „Dual-Beam”-Prinzipes und eine sehr hohe Ausnutzung
der zur Verfügung stehenden Strahlungsintensität,
im idealen Fall jeweils 100%, d. h. die gesamte zur Verfügung
stehende Strahlung, welche auf das Auge fällt, kann die
Probe illuminieren und die gesamte, von der Probe rückgestreute
Strahlung wird detektiert.
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Für
die Interferometereinrichtung kommt prinzipiell jeder geeignete
Aufbau in Frage, der einen Strahlungsteil der Probenstrahlung gegenüber
dem restlichen Strahlungsteil axial um ein bestimmtes, vorzugsweise
einstellbares Maß, versetzt. Ein besonders einfacher Aufbau
ergibt sich mit einem Mach-Zehnder-Interferometer, die ein Beispiel
für ein rückreflexfreies Abstimmungsinterferometer
ist. Alternativ kann auch ein Michelson-Interferometer verwendet
werden.
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Der
axiale Versatz der beiden Strahlungsteile ist natürlich
auf den Abstand der zu erfassenden Bereiche abgestimmt. Eine optimale
Abstimmung erreicht man, wenn der Versatz exakt der zweifachen axialen
Beabstandung der Bereiche entspricht. Hierbei bezieht sich die Abstimmung
auf die optischen Wege, also unter Berücksichtigung der
Brechzahlen der Medien in Probe und Abstimmungsinterferometer. Nun
ist diese Beabstandung in der Regel vorher nicht exakt bekannt,
so daß man durch Vorgabe der Weglänge, um welche
die beiden Strahlungsteile axial gegeneinander versetzt werden,
den axialen Abstand der Bereiche auswählt, mithin die Bereiche
an der Probe vorselektiert. Es ist deshalb zu bevorzugen, wenn die
Weglänge am Abstimmungsinterferometereinrichtung einstellbar
ist, besonders bevorzugt ausgehend von einem Grundwert von +/–50%
eines Sollwertes der zweifachen axialen Beabstandung der Bereiche,
z. B. der mittleren optischen Augenlänge.
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Die
in der Vorrichtung verwendete Strahlung hängt hinsichtlich
ihrer Spektralcharakteristik wesentlich davon ab, ob TD-, SS- oder
SD-OCDR realisiert werden soll, muß aber in jedem Fall
eine ausreichende Penetration und Rückstreuung in der Probe gewährleisten,
wie beispielshalber durch Wellenlängen im Bereich von 700...1100
nm beim Auge. Bevorzugt ist, daß zusätzlich zu
einer die Strahlung bereitstellenden Strahlungsquelle ein Koppelelement
vorgesehen ist, das der Strahlungsquelle nachgeordnet ist, die von
der Strahlungsquelle kommende Strahlung als Meßstrahlung
auf die Probe leitet und von der Probe in sich zurückgestreute
oder -reflektierte Meßstrahlung zur Abstimmungsinterferometereinrichtung
abteilt. Vorzugsweise umfaßt das Koppelelement einen Zirkulator,
um einen möglichst hohen Anteil der rückgestreuten
oder -reflektierten Meßstrahlung zur Abstimmungsinterferometereinrichtung
zu leiten. Als Zirkulator kommt beispielsweise ein polarisationsunabhängiger
Zirkulator oder eine Kombination aus Polarisationsteiler, λ/4-Platte
oder als Faraday-Rotator in Frage.
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Die
Realisierung des Koppelelementes als Polarisationsteiler bietet
noch eine gute Möglichkeit bei SS-OCDR eine Referenzierung
der zeitabhängigen Wellenlängendurchstimmung auszuführen, wenn
das Koppelelement ein Teil der von der Strahlungsquelle kommende
Strahlung als Referenzstrahlung abteilt, die einen von der Meßstrahlung
verschiedenen Polarisationszustand hat, und die Referenzstrahlung
in einen Referenzstrahlengang leitet, an dessen Ende die Referenzstrahlung
rückreflektierendes oder -streuendes Referenzobjekt angeordnet ist,
wobei das Koppelelement die von der Probe in sich zurückreflektierte
oder -gestreute Meßstrahlung mit der vom Referenzobjekt
zurückreflektierten oder -gestreuten Referenzstrahlung überlagert
und zur Abstimmungsinterferometereinrichtung leitet. Es kann dann
eine überlagerte Messung der unterschiedlich polarisierten
Proben- und Referenzstrahlungen erfolgen, so daß eine einfache
Referenzierung der Wellenlängendurchstimmung erreicht ist, was
die Meßgenauigkeit bei SS-OCDR erhöht. Vorzugsweise
wird dabei der Reflektorenabstand im Referenzstrahlengang so eingestellt,
daß das resultierende Wellenlängenreferenzsignal
das zu vermessende Probensignal nicht in einer störenden
Weise überlagern kann, z. B. indem das Wellenlängenreferenzsignal
Peaks nur bei Meßtiefen erzeugt, wo keine Probensignale
zu erwarten sind.
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Einen
besonders kompakten Aufbau erreicht man bekanntermaßen
mit faseroptischen Elementen.
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Es
ist deshalb zu bevorzugen, daß das Koppelelement faseroptisch
ausgeführt ist. Im Interesse einer hohen Ausbeute kann
dann optional das die Meßstrahlung emittierende Faserende,
oder ganz allgemein das Koppelelement, reflexmindernd und/oder entspiegelt
ausgeführt sein – im Falle eine Faser z. B. durch
einen Schrägschliff.
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Weiter
ist bei faseroptischer Bauweise bevorzugt, daß die Abstimmungsinterferometereinrichtung
die von der Probe zurückgestreute oder -reflektierte Meßstrahlung
mittels eines 2 × 2 Fasersplitters in die zwei Strahlungsteile
aufteilt, die Strahlungsteile durch unterschiedlich lange Lichtleitfasern
schickt und in einen 2 × 2-Fasersplitter, einen 2 × 3-Fasersplitter
oder eine Einheit aus zwei 2 × 2-Fasersplittern leitet,
an deren Ausgängen die Einzelstrahlungen austreten.
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Im
Fall eines 2 × 3-Fasersplitters liegen drei Ausgänge
mit jeweils 120° phasenverschobenen Interferenzsignalen
vor, welche zur Durchführung einer komplexen SS-OCDR-Rekonstruktion geeignet
sind. Diese Konfiguration insbesondere zur Beseitigung von Artefakten
(Spiegelartefakte) geeignet, die andernfalls aus unbestimmbaren
Phasenvorzeichen resultieren würden. Diese Vorgehensweise
ist aus
US 20040239943 bekannt.
Weiter unterdrückt die Quadraturkomponentendetektion, wie
auch die balanced detection mit 180° Phasenverschiebung,
bestimmte, durch die Quelle verursachte Rauschanteile, was besonders
bei lichtschwachen Anordnungen vorteilhaft ist, wenn also von der
Probe nur ein geringer Anteil der Meßstrahlung rückgestreut
oder -reflektiert wird.
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Wird
die Abstimmungsinterferometereinrichtung rein faseroptisch unter
Verwendung nur einer einzigen Fasersorte aufgebaut, so verursacht
die Weglängendifferenz der Fasern auch eine Dispersionsdifferenz.
Dies ist für TD-OCDR-Verfahren zwar störend, da
die Interferenzsignale dadurch reduziert würden, aber günstig
für die Realisierung von FD-OCDR-Verfahren, da die Dispersionsdifferenz sich
zur Markierung und Unterdrückung von Spiegelartefakten
bei der Rekonstruktion eignet, wie es bereits in der
US 2006/0171503 geschildert ist.
Soll aber die Dispersiondifferenz minimiert werden, beispielsweise
zur Maximierung von TD-OCDR-Signalen, so können auch Fasern
oder Faserteile unterschiedlicher Dispersion verwendet werden und
die Faserlängen unter Beibehaltung der Weglängendifferenz
kompensierend eingestellt werden. Dabei ist diejenige Faser kürzer,
die die höhere Dispersion hat.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kurzkohärenz-Interferometervorrichtung,
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2 eine
Darstellung einer faseroptischen Realisierung der Vorrichtung der 1,
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3 eine
Vorrichtung ähnlich der der 1, jedoch
mit Zirkulator- oder Rotator-Aufbauten zur besonders hohen Meßstrahlungsausnutzung,
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4 eine
Bauweise ähnlich der 2, jedoch
mit nur zwei Quadraturkomponenten,
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5 eine
mögliche Abwandlung eines der Interferometer der 1 bis 4 zur
Referenzierung einer Wellenlängendurchstimmung und
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6 eine
weitere Bauweise der Vorrichtung der 1.
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1 zeigt
schematisch eine Interferometer-Vorrichtung 1 in Form einer
Augenlängenmeßvorrichtung, wobei diese Realisierung
lediglich ein exemplarisches Anwendungsgebiet der Interferometer-Vorrichtung 1 betrifft,
insofern nicht einschränkend zu verstehen ist.
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In
der Vorrichtung
1 wird Strahlung einer Strahlungsquelle
2 als
Meßstrahlung
3 in einen Meßstrahlengang
geleitet und dort auf das hier als Auge
5 ausgebildetes
Meßobjekt, d. h. die Probe, gerichtet ist. Die Probe hat
axial beabstandete Bereiche, hier als Bereiche T1 und T2 des Auges
5 schematisch dargestellt,
beispielsweise die Korneavorderfläche, die Kornearückfläche,
die Linsenvorderfläche, die Linsenrückfläche
oder der Fundus. Geht man vom Scheitel der Korneavorderfläche
als Bereich T1 und dem Fundus als Bereich T2 aus, ergibt der axiale
Abstand dieser Bereiche die optische Augenlänge L. Die
Beleuchtung der Bereiche T1 und T2 kann dabei zur Optimierung der
Rückstreuung auch mit einfach oder mehrfach fokussierenden
Elementen beeinflußt werden, wobei letztere auch segmentierte
Linsen oder diffraktive optische Elemente umfassen können, wie
beispielsweise in
DE
446183 B4 beschrieben.
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Beide
Bereiche T1 und T2 streuen Meßstrahlung als Probenstrahlung
zurück, was durch den Doppelpfeil im Meßstrahlengang
verdeutlicht ist. Der aus der Strahlung der Laserquelle 2 erzeugte
Meßstrahl fällt auf das Auge 5 durch
eine Koppeleinrichtung 4, deren Funktion es ist, möglichst
effizient die Probenstrahlung von der Meßstrahlung abzutrennen. Die
Koppeleinrichtung 4 leitet also ohne unnötige Schwächung,
also (soweit nicht bewußt eine Schwächung stattfinden
soll) mit einem möglichst hohen Transmissionsgrad Meßstrahlung
der Laserquelle 3 zum Auge 5 auf die mindestens
zwei beabstandeten Bereiche T1 und T2. Die von diesen Bereichen
rückgestreute Probenstrahlung wird dann wiederum möglichst
effizient von der Koppeleinrichtung 4 zu einer nachgeordneten
Abstimmungsinterferometereinrichtung 6 geleitet, die möglichst
rückreflexionsfrei arbeitet, also keine Strahlung zur Koppeleinrichtung 4 zurückschickt.
Die Abstimmungsinterferometereinrichtung besteht aus zwei Funktions-Abschnitten,
nämlich einen die Probenstrahlung in zwei Strahlungsteile
aufteilenden Abschnitt 6 sowie einen die aufgetrennten
Strahlungsteile wieder überlagernden Abschnitt 7,
wobei die beiden Strahlungsteile zwischen Auftrennung und Überlagerung
unterschiedliche Weglängen durchlaufen. Die Abstimmungsinterferometereinrichtung
bewirkt also eine feste oder variable Weglängendifferenz
zwischen den beiden Strahlungsteilen der Probenstrahlung, wobei
die Weglängendifferenz so abgestimmt ist, daß zwischen
den Bereichen T1 und T2 rückgestreute Lichtanteile zur Interferenz
kommen können. Der zweite Abschnitt 7 der Abstimmungsinterferometereinrichtung
bewirkt dabei bei der Überlagerung zusätzlich,
daß mindestens zwei phasenverschobene Einzelstrahlungen, die
Quadraturkomponenten der interferierenden Strahlung entsprechen,
an den Ausgängen des zweiten Abschnittes 7 der
Abstimmungsinterferometereinrichtung vorliegen. Mit Hilfe dieser
Quadraturkomponenten, die in Quadratursignalleitungen 8 nach dem
elektrischen Nachweis der Einzelstrahlungen als elektrische Signale
vorliegen, bewirkt eine Auswerteeinrichtung 9 eine OCDR-Rekonstruktion,
die je nach angewendeten Prinzip TD-, SS- oder SD-OCDR realisiert.
Natürlich sind die nicht näher bezeichneten Detektoren
hierzu passend ausgebildet, d. h. bei SD-OCDR erfolgt eine spektrale
Analyse der Einzelstrahlungen. Dies ist dem Fachmann jedoch bekannt,
und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden.
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2 zeigt
ein faseroptisches Realisierungsbeispiel der Vorrichtung 1 der 1.
In 2 wie in den nachfolgenden Figuren sind Elemente,
die die gleiche Funktion oder die gleiche Bauweise wie Elemente
aus anderen Ausführungsbeispielen haben, mit demselben
Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird deshalb nicht
noch einmal wiederholt.
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Die
Bauweise der 2 ist, wie bereits erwähnt,
faseroptisch und rein exemplarisch für SS-OCDR vorgesehen.
Die Laserquelle 2 ist deshalb durchstimmbar. Die Koppeleinrichtung
ist hier als polarisationsunabhängiger Zirkulator oder
als Faserkoppler 10, z. B. mit einer 80/20-Teilung realisiert.
Es sind aber auch andere Teilungsverhältnisse möglich, beispielsweise
70/30 bis 95/5. Letztere Konfiguration ist besonders dann geeignet,
wenn die Strahlung der Laserquelle 2 vor dem Auftreffen
auf die Probe auf 5% bis 30% abgeschwächt werden muß.
Die Abstimmungsinterferometereinrichtung ist als faseroptisches
Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet, mit einem 50/50-Fasersplitter 11 sowie
einem 2 × 3-Faserkoppler 12, der an seinen drei
Ausgängen jeweils um 120° phasenverschobene Einzelstrahlungen
liefert, welche aus einer Interferenz stammen. Diese Interferenz
rührt daher, daß die Weglängendifferenz des
Mach-Zehnder-Interferometer in etwa der zweifachen mittleren Augachsenlänge
L entspricht und die OCDR-Meßtiefe ausreicht, die Variation
der Augenlängen (ca. ±13 mm) abzudecken.
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Aus
den 120° phasenverschobenen Einzelstrahlungen, die an Detektoren
aufgenommen werden, führt die Auswerteeinrichtung
9 eine
komplexe SS-OCDR-Rekonstruktion aus, z. B. gemäß
US 2004/0239943 .
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Eine
zweite Variante, hier als Freistrahl-Aufbau, zeigt 3.
Dieser Aufbau stellt zwei um 180° phasenverschobene Interferenzsignale
bereit und erreicht eine besonders hohe Ausbeute, indem der Koppler 4 nun
aus einem Polarisationsteiler 13 und einer λ/4-Platte 14 im
Stile eines Zirkulators oder Faraday-Rotators ausgebildet ist. Von
der Laserquelle 2 kommende linearpolarisierte Meßstrahlung
passiert den Polarisationsteiler 13 aufgrund dieses Polarisationszustandes
vollständig. Nach Durchlauf durch die λ/4-Platte
ist die Strahlung zunächst zirkular polarisiert und nach
Rückreflexion am Auge und nochmaligem Durchgang durch die ☐/4-Platte
in einen zum Ausgangszustand orthogonal linear polarisierten Zustand überführt,
was durch ein Kreissymbol in 3 veranschaulicht
ist. Der Polarisationsteiler spiegelt diese zum Ausgangszustand
orthogonal polarisierte Strahlung vollständig aus dem Strahlengang
aus, so daß sowohl die von der Laserquelle 2 bereitgestellte Meßstrahlung
zu 100% auf das Auge fällt, als auch die am Auge rückreflektierte
und rückgestreute Probenstrahlung vollständig
zur Abstimmungsinterferometereinrichtung geleitet wird, die hier
als rückreflexfreie Abstimmungsinterferometereinrichtung 15 ausgebildet
ist und Strahlteiler 16 und 17 umfaßt.
Die Weglängendifferenz kann, wie durch den Doppelpfeil 20 angedeutet
ist, verstellt werden.
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Die
variierbare Weglängendifferenz erlaubt es beispielsweise
das TD-OCDR-Prinzip zu nutzen, insbesondere auch unter Anwendung
des beispielsweise in Hitzenberger et al. Investigative
Ophthalmology & Visual
Science, Vol. 33, No. 1, January 1992 beschriebenen Dopplerfilterungsprinzips.
Auch kann, wenn der Aufbau für SS-OCDR oder SD-OCDR ausgebildet
wird, die Weglängenverstellung eine Auswahl der zu erfassenden
Bereiche T1 und T2 ermöglichen.
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Die
um 180° phasenverschobenen lnterferenzsignale werden in
einem Differenzverstärker 18 im Sinne einer balanced
detection und an die Auswerteeinrichtung 9 geliefert.
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Die
erwähnte hohe Strahlungsausbeute des Aufbaus der 3 ist
vor allem dann gegeben, wenn die Probe die Polarisation der Strahlung
nur wenig ändert. Gegebenenfalls ist ansonsten ein Polarisationskompensator
dem Auge vorzuschalten. Polarisationskompensation kann auch zwischen
den Armen des Abstimmungsinterferometers angebracht sein, wenn beispielsweise
Polarisationszustandsänderungen infolge Spannungsdoppelbrechung
in gebogenen Fasern abgeglichen werden müssen oder die
zur Interferenz zu bringenden Lichtanteile aus den Probenbereichen
T1 und T2 dort verschiedene Polarisationszustandsänderungen
erfahren haben.
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In
einer Weiterbildung ist es möglich, die Abstimmungsinterferometereinrichtung
rein faseroptisch unter Verwendung nur einer einzigen Fasersorte
aufzubauen. Diese Bauweise zeigt 4. Dabei kann
(anders als in 4 dargestellt) auch der Strahlteiler 13 faseroptisch
aufgebaut werden, wie grundsätzlich in den hier beschriebenen
Aufbauten und Verfahren beliebig faseroptische Komponenten mit freistrahloptischen
Bauteilen getauscht werden können bzw. beliebige Mischformen
aus Freistrahl- und Faseroptiken möglich sind.
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Die
Weglängendifferenz, die auch hier durch einen z. B. faserstreckenden
Weglängenversteller 20 einstellbar gestaltet werden
kann, führt auch zu einer Dispersionsdifferenz. Für
die FD-OCDR-Varianten, also SS-OCDR und SD-OCDR, ist eine solche
Dispersionsdifferenz jedoch vorteilhaft, da sie sich zur Markierung
und Unterdrückung von Spiegelartefakten bei der Rekonstruktion
eignen.
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Wird
als Koppeleinrichtung 4 ein Polarisationsteiler verwendet,
so kann parallel zur Probe auch eine Referenzstruktur vermessen
werden, und die entsprechenden von der Referenzstruktur bzw. der Probe
zurückkehrenden Probenstrahlungen bzw. Referenzstrahlungen
können untereinander nichtinterferierend in demselben Abstimmungsinterferometer sowie
derselben Detektoreinrichtung nachgewiesen werden. Diese Abwandlung,
die prinzipiell für alle Bauweisen möglich ist,
zeigt die 5. Die hier wieder als Polteiler 13 ausgeführte
Koppeleinrichtung 4 teilt auch einen Teil der von der Laserquelle 2 abgegebenen
Meßstrahlung als Referenzstrahlung in einen Referenzarm,
der wie der Probenarm auch, eine λ/4-Platte 21 aufweist.
Referenzreflektoren 22 und 23 in einem definierten
Abstand stellen ein Beispiel für ein Referenzobjekt dar,
dessen eigenständige Detektion, wie bereits geschildert,
in einem Abstimmungsinterferometer, jedoch bei geeigneter Polarisationsunterscheidung
in der Detektion, erfolgt. Besonders bei SS-OCDR-Varianten erlaubt
dieser Ansatz eine Referenzierung der zeitabhängigen Wellenlängendurchstimmung.
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Ist
der Kontrast des Polarisationsteilers 13 (typ 20..30 dB)
im Vergleich zur angestrebten Signaldynamik ungenügend,
kann zusätzlich zur polarisationsmäßigen
Unterdrückung der interferierenden Wechselwirkung zwischen
Probenstrahlung und Strahlung vom Referenzobjekt, auch die Position
der Referenzreflektoren gemeinsam so gegenüber der Probenposition
verändert werden, daß die Strahlung aus Proben-
und Referenzarm aufgrund der zu großen Wegdifferenz nicht
mehr interferieren kann. Das Wellenlängenreferenzsignal
wird dabei durch die Beibehaltung des Abstandes zwischen den Reflektoren 22 und 23 nicht
verändert.
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6 zeigt
eine weitere Variante, bei der die Abstimmungsinterferometereinrichtung 6 als
Michelsoninterferometer ausgebildet ist. Die Strahlung von der als
(ggf. nicht polarisiationstrennender) Teiler 13 ausgebildeten
Koppeleinrichtung wird in einem Strahlteiler 24 in einen
Teil abgeteilt, der durch einen Michelsonaufbau, aufweisend einen
Strahlteiler 25 und Spiegel 26, 27 läuft.
An den Detektoren liegen dann die interferierenden Strahlungsanteile
der Probenstrahlung vor.
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Grundsätzlich
gilt für alle Ausführungsformen mit Polarisationsoptiken,
daß, wenn eine depolarisierende oder polarisationsändernde
Wirkung der Probe vorliegt (beim Auge liegt sie etwa bei 10%), eine
probenspezifische Polarisationsanpassung polarisationsoptischer
Elemente in Ausführungsformen der beschriebenen Vorrichtungen
vorgenommen werden sollte, um eine befriedigend hohe Transmission
durch die erwähnten polarisationsoptische Elemente zu gewährleisten.
Außerdem kann auch ein fest eingestellter Zustand verwendet
werden, z. B. bezüglich der Orientierung von Polarisationsteilern, Wellenplatten
etc.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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