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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Messung
von Relativabständen von Strukturen eines Objektes, die
als optischer Zeitdomänen-Kohärenztomograph ausgebildet
ist, der aufweist einen Objektstrahlengang, durch den Meßstrahlung
auf das Objekt fällt, einen Detektionsstrahlengang, der
eine Detektoreinrichtung umfaßt und durch den vom Objekt
reflektierte oder rückgestreute Probenstrahlung zu Detektoreinrichtung
gelangt, eine Interferometereinrichtung, die einen ersten und einen
zweiten Teilstrahlengang mit unterschiedlicher optischer Weglänge
aufweist, Strahlung aufteilt und in die beiden Teilstrahlengänge
einspeist und nach Durchlauf durch die Teilstrahlengänge
wieder überlagert und so einen Doppelstrahl erzeugt, der
aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen der
beiden Teilstrahlengänge axial zueinander versetzte Anteile
aufweist, wobei die Interferometereinrichtung entweder im Objektstrahlengang
angeordnet ist, so daß die Meßstrahlung als Doppelstrahl
auf das Objekt einfällt, oder im Detektionsstrahlengang
angeordnet ist, so daß die Probenstrahlung als Doppelstrahl
zur Detektoreinrichtung gelangt, und wobei die unterschiedlichen
optischen Weglängen der Teilstrahlengänge den
Relativabstand der am Objekt erfaßten Strukturen beeinflußt,
deren Probenstrahlung an der Detektoreinrichtung interferenzfähig
ist, eine Scaneinrichtung zum Scannen des Relativabstandes der erfaßten
Strukturen, wobei die Scaneinrichtung zur Verstellung der optischen
relativen Weglänge der Teilstrahlengänge ausgebildet
ist, und eine Steuereinrichtung, welche die Scaneinrichtung ansteuert.
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Unter
Objekten werden hierbei insbesondere lebende Objekte oder Proben
verstanden oder Teile davon, wie beispielsweise das menschliche
Auge. Diese Objekte können hierbei auch optisch dispersiv (vgl.
EP 1587415 ) oder die Polarisation
(vgl.
WO 02051333 )
beeinflussend sein.
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Die
Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur optischen Messung
von Relativabständen von Strukturen eines Objekt mittels
optischer Zeitdomänen- Kohärenztomographie, wobei
der Meßstrahl auf das Objekt gerichtet wird, vom Objekt
reflektierte oder rückgestreute Probenstrahlung detektiert
wird, entweder die Meßstrahlung oder die Probenstrahlung
in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, die
Teilstrahlen unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen,
die Teilstrahlen dann überlagert und ein Doppelstrahl erzeugt
wird, der aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen axial
zueinander versetzte Anteile aufweist, wobei die unterschiedlichen
optischen Weglängen den Relativabstand der am Objekt erfaßten
Strukturen beeinflußt, deren Probenstrahlung an der Detektoreinrichtung
interferenzfähig ist, der Relativabstandes der erfaßten
Strukturen gescannt wird, indem unterschiedlichen optischen Weglängen
relativ zueinander verstellt werden.
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Ein
Aufbau, der einen Doppelstrahl auf ein Objekt richtet, ist aus
Hitzenberger
et al., „Measurement of Corneal Thickness by Laser Doppler
Interferometry", Investigative Ophthalmology & Visual Science,
Vol. 33, No. 1, January 1992, bekannt. In der
DE 3201801 wird im Detektionsstrahlengang
ein Doppelstrahl verwendet.
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Zur
Vermessung transparenter oder teil-transparenter Proben, beispielsweise
des menschlichen Auges sind Kurzkohärenz-Interferometer,
die mittels optischer Kohärenzinterferometrie arbeiten,
bekannt, beispielsweise aus der
US 7400410 oder
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 Kohärenzinterferometrie sei
auf die
US 2006/0109477
A1 und
US 5321501 verwiesen.
Diese Patentveröffentlichungen schildern auch die Grundprinzipien
der optischen Kohärenztomographie (OCT).
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Das
Prinzip der Kohärenztomographie (OCT) umfaßt sowohl
Ausführungsformen, bei denen eine Bildgebung 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. Letztere
Ausführungsform entspricht von der Bildgewinnung her einem
sog. A-Scan der Ultraschallbildgewinnung; sie wird auch als optical
coherence domain reflectometry oder Kohärenzreflektometrie
(OCDR) bezeichnet und dient dazu, Ort und Größe
von Streuzentren innerhalb einer Probe, z. B. dem menschlichen Auge, zu
erfassen (vgl.
US 2007081166 ).
Eine Variante eines bildgebenden OCT ohne laterales Scannen ist das
sogenannte full-field OCT gemäß
US 2008/0231807 .
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In
dieser Beschreibung wird der Begriff Kohärenztomographie
(OCT) als Oberbegriff verwendet. Er umfaßt also sowohl
eine dreidimensionale Bildgebung als auch nur eine 1-dimensionale
Abbildung in Form der OCDR.
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Für
die OCT (und ihre Untergruppe OCDR) sind die Varianten Zeitdomänen-Kohärenztomographie
(time-domain oder TD-OCT bzw. -OCDR) mit zum Scannen verstellter
Weglängendifferenz und Fourierdomänen-Kohärenztomographie
(FD-OCT bzw. -OCDR) mit fester Weglängendifferenz und Auswertung
spektraler Information bekannt. Letztere unterscheidet man nochmals
in eine Variante unter Verwendung breitbandiger Lichtquellen und
spektrometerbasierter Detektion (spectral domain oder SD-OCT bzw.
-OCDR) und in eine Variante unter Verwendung spektral durchstimmbarer
Lichtquellen und breitbandiger Detektoren (swept-source oder SS-OCT
bzw. -OCDR).
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Bei
der Kohärenztomographie sind die axiale und die laterale
Auflösung weitgehend entkoppelt. Die axiale Auflösung
ist im wesentlichen durch die Kohärenzlänge der
Quelle gegeben. In lateraler Richtung ist die erreichbare Auflösung
durch die laterale Ausdehnung des Fokus bzw. der im Fokusbereich
gegebenen Strahltaille gegeben. Das Streusignal eines Ortes ist
somit die Überlagerung der aus dem kleinsten auflösbaren
Volumen rückgestreuten Strahlung. Bei dieser Überlagerung
rückgestreuter Strahlungsanteile können auch schon
destruktive oder konstruktive Interferenzen auftreten, sogenannte
Speckles.
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Eine
Anwendung, die für OCDR von besonderem Interesse ist, ist
die Streckenmessung im Auge. Bekannte Verfahren zu Teilstrecken-
oder Achslängenmessung arbeiten entlang der Sehachse eines
Auges, so z. B. das von Carl Zeiss Meditec AG entwickelte und vertriebene
Gerät IOL Master, dessen Aufbau auch Gegenstand der Patentschrift
US 6779891 ist.
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Das
in
US 6779891 beschriebene
Zeitdomänen-OCDR-System verwendet einen sogenannten Dual-Beam-Ansatz.
Anstelle eines eigenständigen Referenzstrahlenganges, wie
er beispielsweise in der
EP 581871 beschrieben
ist, wird das Meßobjekt, im Falle des IOL Masters das Auge,
mit einem Doppelstrahl (englisch dual beam) beleuchtet, der axial relativ
zueinander versetzte Anteile aufweist. Dieser Doppelstrahl wird
mittels einer Interferometeranordnung erzeugt. Das Dual-Beam-Prinzip
zeichnet sich durch weitgehende Unterdrückung von Artefakten aus,
die durch axiale Objektbewegungen entstehen können. Es
werden Relativabstände von Strukturen im Auge erfaßt,
d. h. das Dual-Beam-Prinzip liefert eine Aussage über die
Lage von rückstreuenden oder rückreflektierenden
Strukturen des Objektes zueinander. Üblicherweise wird
eine Referenzierung auf eine spezielle Struktur der Probe vorgenommen. Im
Falle der Ophthalmologie verwendet man meist die Hornhautvorderfläche,
was bei der Achslängenmessung des Auges auch naheliegend
ist.
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Das
Dual-Beam-Prinzip ist zwar auf axiale Bewegungen des Objektes relativ
unempfindlich, laterale Objektverschiebungen werden dadurch jedoch nicht
ausgeglichen. Sind solche zu befürchten oder, wie im Gebiet
der Ophthalmologie sogar unvermeidlich, strebt man möglichst
schnelle Messungen an, um den Einfluß lateraler Objektbewegungen
möglichst gering zu halten. Dies ist auch im Falle hochgenauer
Messungen von Vorteil, um Auflösungsverluste durch Pulsationen
am Auge (vgl. Schmetterer et al., "Topical measurement
of fundus pulsations", Opt. Eng. 34, 711–716,
1995) zu vermeiden bzw. Achslängenmessung einschließlich
der Pulsationseffekte vermessen zu können. Im Falle der
Zeitdomänen-Kohärenztomographie (bzw. ihrer Untergruppe
der TD-OCDR) ist deshalb eine möglichst schnelle Verstellung
der Weglängendifferenz zwischen den axialen Anteilen des
Dual Beam bzw. eine möglichst schnelle Verstellung der
Länge des Referenzstrahlenganges erstrebenswert.
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Schnell
verstellbare Verzögerungsstrecken sind beispielsweise in
der
US 6243191 , der
US 6654127 , der
US 7227646 oder der Veröffentlichung,
M.
Hasegawa et al., „Development of high speed and deep scanning
optical coherence tomography system", (IEEE Lasers and
Electro-Optics, 2003;
CLEO/Pacific Rim 2003;
The
5th Pacific Rim Conference; Volume 1, Issue, 15-19 Dec. 2003, Page
305) bekannt.
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Dual-Beam-Verfahren
sind auch aus der
US 6788421 und
DE 102007046507 bekannt.
Dort dient ein Probenreflex als Interferometriereferenzsignal. Jedoch
treffen zwei räumlich separate Meßstrahlen auf
das Auge. Es erfolgt ein doppelter Durchgang durch getrennt verzögerte
Strahlengänge. Dabei ist insbesondere im Aufbau der
US 6788421 die Verwendung
teilreflektierender Strahlteiler nötig, welche die zu detektierenden
rückgestreuten Strahlungsanteile schwächen und
zwar noch vor der interferierenden Überlagerung. Weiterhin
unvorteilhaft im Konzept der
DE
102007046507 ist, daß die separaten Meßstrahlen
nicht exakt kollinear ausgerichtet werden können, weshalb
Beabstandungen entlang einer Meßachse dort schwierig sind.
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Aus
Wang
et al. „A low coherence "white light" interferometric
sensor for eye length measurement", Review of Scientific
Instruments 66(12): 5464–5468, ist die Verwendung
zweier unabhängiger Michelson-Interferometer bekannt, in
denen jeweils ein Verstellmittel und ein Detektor zur Lagebestimmung
einer Oberfläche im Auge verwendet wird, zum Zwecke der
Beabstandung. Es handelt sich also um kein Dual-Beam-Verfahren mit
Interferenz von an beiden Oberflächen rückgestreuten
Lichtes.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen
Messung von Relativabständen von Strukturen eines Objektes
bzw. ein entsprechendes Verfahren der eingangs genannten Art so
weiterzubilden, daß die Meßgeschwindigkeit gegenüber
dem Stand der Technik gesteigert ist. Hierbei sollen insbesondere
die Vorteile des Dual-Beam-Ansatzes zur Erzielung einer hochgenauen axialen
Längenmessung bei Unempfindlichkeit gegenüber
axialen Probenbewegungen beibehalten werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die
Scaneinrichtung ein erstes Verstellmittel zur Verstellung der optischen
Weglänge des ersten Teilstrahlenganges und ein zweites
Verstellmittel zur Verstellung der optische Weglänge des zweiten
Teilstrahlenganges aufweist und das erste und das zweite Verstellmittel
unter Steuerung durch die Steuereinrichtung die Weglängen
zum Scannen des Objektes aufeinander abgestimmt verstellen, so daß die
aufeinander abgestimmten Verstellungen den abgedeckten Bereich der
Relativabstände festlegen.
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Die
Aufgabe wird weiter mit einem Verfahren der eingangs genannte Art
gelöst, bei dem sowohl die Weglänge des ersten
Teilstrahles als auch die Weglänge des zweiten Teilstrahles
aufeinander abgestimmt verstellt werden, so daß die aufeinander abgestimmten
Verstellungen den abgedeckten Bereich der Relativabstände
der am Objekt erfaßten Strukturen festlegen.
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Erfindungsgemäß weist
der Kohärenztomograph eine Interferometereinrichtung auf,
die den Doppelstrahl des Dual-Beam-Verfahrens erzeugt. Unter einem
Doppelstrahl wird dabei gemäß der eingangs gegebenen
Definition ein Strahl verstanden, der zwei gegeneinander axial versetzte
(also optisch verzögerte), aber ansonsten interferenzfähige
Anteile aufweist. Wird ein solcher Doppelstrahl an einem Objekt
reflektiert, das zwei teilreflektierende oder -rückstreuende
Strukturen aufweist, die axial um das halbe Maß des axialen
Versatzes bzw. des brechzahlkorrigierten optischen Weges der Anteile
des Doppelstrahls beabstandet sind, tritt im zurückreflektierten
oder -gestreuten Probenstrahl innerhalb der zeitlichen Kohärenzlänge
Interferenz auf, da der axiale Versatz durch die Rückreflexion
oder -streuung genügend aufgehoben ist. Dieses Prinzip
macht sich der sogenannte Dual-Beam-Ansatz in der Kohärenztomographie
zu Nutze. Die Interferenz zeigt an, daß im Objekt zwei
Strukturen um den halben Abstand des axialen Versatzes der Anteile
des Doppelstrahles beabstandet sind. Ist zusätzlich, wie
im Bereich der Ophthalmologie, bekannt, welche Struktur die Referenz
ist (hier beispielsweise der Hornhautvorderfläche), hat
man automatisch eine absolut referenzierte Angabe über
die Relativlage der anderen Struktur (beispielsweise Retina) bezogen
auf die Referenz.
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Interferieren
kann Strahlung natürlich nur innerhalb eines Kohärenzvolumens,
das sich als Produkt aus der zeitlichen Kohärenzlänge
der Strahlung und der Lichtgeschwindigkeit ergibt. Die Genauigkeit der
Relativangabe hängt somit von der zeitlichen Kohärenzlänge
der verwendeten Strahlung ab. Deshalb ist man bemüht, in
der Kurzkohärenztomographie (bzw. deren Untergruppe OCDR)
möglichst kurzkohärente Strahlung zu verwenden.
Darunter sei hier Strahlung verstanden, deren Kohärenzlänge
für die gewünschte Auflösung Δz
für Strukturabstände, z. B. über die
Wahl der spektralen Bandbreite der Strahlung Δλ =
2ln(2)λ
2/(πΔz)
bei der Zentralwellenlänge λ geeignet festgelegt
ist (vgl.
Fercher et al., „Optical coherence tomography-principles
and applications", Rep. Prog. Phys. 66(2003), 239–303).
Vorzugsweise wird Strahlung verwendet, deren Kohärenzlänge etwa
gleich oder ein Zehntel der gewünschten Meßauflösung
ist. Typische Meßauflösungen betragen in der Ophthalmologie
3 ... 30 μm. Allerdings sind auch Verfahren bekannt, bei
denen Meßauflösungen teilweise deutlich unterhalb
der räumlichen Kohärenzlänge erzielt
werden können, beispielsweise durch Regressionverfahren
(fit der axialen point-spread function, PSF) oder phasensensitive
Messungen (vgl.
WO
03052345 A1 ). Die Kohärenzlänge kann also
als Fenster um den doppelten axialen Abstand des Versatzes der Anteile
im Doppelstrahl verstanden werden, innerhalb dessen eine rückreflektierende
oder -streuende Struktur zur Interferenz im Probenstrahl führt.
Mit anderen Worten das Kohärenzfenster entspricht der Begrenzung
der maximalen optischen Verzögerung zweier Strahlungsanteile
zueinander, bis zu der noch nennenswerte Interferenz auftreten kann.
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Für
eine bestmögliche Interferenzfähigkeit der zu
vermessenden Doppelstrahlanteile am Detektor ist vorzugsweise auch
eine möglichst gute Angleichung ihrer Polarisationszustände
anzustreben, aber auf jeden Fall eine Vermeidung orthogonaler Polarisationszustände,
die nicht interferenzfähig sind (beispielsweise horizontal
und vertikal oder rechts- und linkszirkular polarisiert). Abweichungen
in den Polarisationszuständen der Doppelstrahlungsanteile
können durch unterschiedliche Doppelbrechung oder Polarisationsrotationen
auf den jeweils zurückgelegten optischen Wegen dieser Strahlungsanteile
resultieren, z. B. infolge gebogener Lichtleitfasern in Interferometerarmen
oder auch durch polarisationsverändernde Proben. Beispielsweise
ist für die Meßstrahlungsanteile, die die Hornhaut
eines Auges durchqueren, ein polarisationsverändernder
Einfluß durch die Doppelbrechung des Auges zu erwarten.
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Die
Erzeugung des Doppelstrahls geschieht in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mittels einer Interferometereinrichtung bzw. im erfindungsgemäßen
Verfahren interferometrisch. Es ist sowohl möglich, die
auf das Objekt fallende Meßstrahlung als Doppelstrahl auszubilden,
als auch die zurückkehrende Probenstrahlung zum Doppelstrahl
umzugestalten. Im ersten Fall wird von einem Vor-Interferometer
gesprochen, im zweiten Fall von einem Nach-Interferometer. Die
US 6779891 beschreibt den
Fall eines Vor-Interferometers. Beide Ansätze sind im Rahmen
dieser Erfindung möglich.
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Die
Verstellung des Doppelstrahls hinsichtlich des axialen Versatzes
der Strahlungsanteile im Doppelstrahl bestimmt den Relativabstand
der Strukturen, von denen Interferenz auftreten kann. Die Interferometerdurchstimmung
bzw. Relativverstellung der Weglängen der Teilstrahlen
des Interferometers stimmt somit den Relativabstand der erfaßten
Strukturen durch.
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Die
Erfindung erreicht nun eine deutliche Meßzeitverkürzung
dadurch, daß nicht, wie im Stand der Technik ein Teilstrahlengang
bzw. Teilstrahl hinsichtlich der optischen Weglänge verstellt
wird, sondern daß beide Teilstrahlengänge bzw.
Teilstrahlen aufeinander abgestimmt verstellt werden. Mit diesem Ansatz
wird eine deutliche Beschleunigung der Messung erreicht.
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Neben
der direkten Geschwindigkeitssteigerung sieht die Erfindung in Ausführungsformen
die Verwendung bekannter statistischer Verteilungen biometrischer
Größen vor, um im Mittel eine Beschleunigung der
Meßvorgänge zu erzielen; beispielsweise indem
kleine Meßbereiche entsprechend einer Häufigkeitsverteilung
der zu vermessenen Meßgröße nacheinander
vermessen werden, bis das Meßergebnis erzielt wurde.
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Die
Erfindung sieht in einer Weiterbildung vor, daß durch einzelne
Verstellelemente eingeführte signalstörende Effekte,
wie beispielsweise die chromatische Dispersion (wellenlängenabhängige
optische Verzögerung) in den beträchtlichen Glaswegen von
Rotationsprismen oder rotierenden Glaswürfeln, aufwandgering
eliminiert werden. Die Verwendung zweier, bevorzugt gleichartiger
Verstellmittel in verschiedenen Interferometerarmen bewirkt zugleich eine
aufwandsgeringe Kompensation der durch die Verstellmittel verursachten
chromatischen Dispersionen, also eine Minimierung der verursachten
Dispersionsdifferenz in den Interferometerarmen. Ist eine Dispersionskompensation
dennoch nötig, werden vorzugsweise optische Komponenten
mit unterschiedlichen Verhältnissen zwischen Gruppengeschwindigkeitsindex
und -dispersion in den Interferometerarmen verwendet, beispielsweise
unterschiedliche Fasertypen in den Interferometerarmen (vgl.
US 7330270 ). Dabei wird
in einer Weiterbildung zusätzlich auch noch eine Restdispersionsdifferenz
zwischen den Interferometerarmen eingestellt, beispielsweise um
Dispersionsunterschiede zwischen den an verschieden Probenzonen
rückgestreuten oder rückreflektierten Doppelstrahlanteilen
zu kompensieren. Hierbei sollte der kürzere Interferometerarm
die höhere Dispersion aufweisen, da der damit korrespondierende
Doppelstrahlanteil den größeren Weg in der dispersiven
Probe zurücklegt, bevor er mit dem anderen Doppelstrahlanteil
interferieren kann.
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Die
Erfindung verwendet eine Weglängenverstellung für
die Teilstrahlen bei der interferometrischen Erzeugung des Doppelstrahls
bzw. für die Teilstrahlengänge im entsprechenden
Interferometer. Eine solche Weglängenverstellung wird im
Stand der Technik auch als einstellbare Verzögerungsstrecke (im
englischen optical delay line) bezeichnet. Die Begriffe Verzögerung
und Verstellung sind im Sinne dieser Beschreibung austauschbar.
Für die Verstellung der optischen Weglängen sind
im Stand der Technik eine Vielzahl von Verzögerungsstrecken
bekannt. Die Erfindung erreicht gegenüber allen bekannten oder
zukünftigen Verzögerungsstrecken eine Beschleunigung.
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Weiter
können nun Verzögerungsstrecken bzw. Verstellmittel
verwendet werden, die bislang für bestimmte Meßaufgaben,
beispielsweise im Bereich der Ophthalmologie, zwar wünschenswert
schnell wären, aber aufgrund eines zu geringen Verstellhubes
nicht verwendet werden konnten. Die Erfindung verwendet deshalb
in einer Variante per se kurzhubige, aber sehr schnelle Verstellmittel
für einen Teilstrahl bzw. Teilstrahlengang und für
den anderen Teilstrahl bzw. im anderen Teilstrahlengang ein sehr
viel langsameres, diskret in Verstellschritten arbeitendes Verstellmittel.
Dieses diskret arbeitende Verstellmittel gibt dann die einzelnen
Meßbereiche vor, innerhalb der mit der anderen, kontinuierlich
und vergleichsweise schneller arbeitenden Verstellmechanik eine sehr
schnelle Messung erfolgt. Dieser Ansatz ist insbesondere dann von
Interesse, wenn in einem Objekt verschiedene Teilbereiche erfaßt
werden sollen. Im Bereich der Ophthalmologie ist dies bei der Erfassung
von Biometriedaten für eine Intraokularlinsenanpassung
im Rahmen einer Kataraktoperation der Fall. Hier benötigt
man Angaben über die Achslänge des Auges, aber
auch weitere Detailangaben, wie Vorderkammertiefe oder Hornhautdicke.
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Eine
Addition der Arbeitsgeschwindigkeit bekannter Verstellmittel für
die optische Weglänge erreicht man, wenn das erste Verstellmittel
die optische Weglänge verkürzend und das zweite
Verstellmittel die optische Weglänge verlängernd
betrieben wird. Diese aufeinander abgestimmte Zusammenwirkung der
Verzögerungsmittel erreicht beispielsweise bei gleich arbeitenden
Verstellmitteln eine Verdoppelung der Verstellgeschwindigkeit gegenüber
einem Aufbau mit nur einem Verstellmittel.
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Für
die Erfindung sind besonders schnell arbeitende Verstellmittel im
Sinne einer geringen Meßdauer bevorzugt, wie beispielsweise
Faserstrecker (vgl.
US 4609871 ),
gitterbasierte Verstellmittel (rapid-scanning optical delay lines,
vgl.
WO 02071117 A3 ),
helicoide Reflektoren (vgl.
US
5907423 ), Stufenreflektoren (vgl.
WO 2005033624 A1 ), piezoelektrisch
und elektromagnetisch translatorisch bewegte Reflektoren, sowie
rotatorische Reflektoren (vgl.
Xinan et al., „Fast-scanning
autocorrelator with 1-ns scanning range for characterization of
mode-locked ion lasers", Rev. Sci. Instr. 59(9), 1988).
Es kommen weiter insbesonders Verstellmittel in Frage, wie sie in der
US 6343191 und
DE 10005696 A1 , der bereits genannten
Veröffentlichung von Hasegawa et al., in der
US 7227646 oder der
US 6654127 beschrieben sind. Der Offenbarungsgehalt
all dieser Druckschriften wird diesbezüglich ausdrücklich
in die Offenbarung dieser Beschreibung einbezogen.
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Es
hat sich dabei im Stand der Technik gezeigt, daß eine besonders
schnelle Verstellung mit einer rotierenden Scheibe erreicht werden
kann, die Reflektoren aufweist, wobei die optische Weglänge von
der Drehlage der Scheibe abhängt.
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Die
bereits erwähnte gegensinnige Verstellung der optischen
Weglängen kann besonders vorteilhaft mit einer Einrichtung
erzielt werden, die beide Weglängen simultan verstellt.
Die Einrichtung kann derart ausgebildet sein, daß die rotierende
Scheibe mehrere Retroreflektoren trägt, die jeweils Strahlung, welche
innerhalb eines um eine Hauptreflexionsachse liegenden Sektors entlang
einer Einfallsrichtung einfällt, parallel zur Einfallsrichtung
und zur Einfallsrichtung versetzt zurückreflektieren, wobei
die Retroreflektoren zu mehreren gegenläufig reflektierenden Retroreflektoren-Paaren
zusammengefaßt sind und die Retroreflektoren-Paare so auf
der Scheibe angebracht sind, daß die Hauptreflexionsachsen
tangential zur rotierenden Scheibe liegen, wobei die Teilstrahlengänge
die Strahlungen tangential und gegenläufig zur Scheibe
auf die Retroreflektoren einstrahlen und für jeden Teilstrahlengang
außerhalb der Scheibe ein Endspiegel fest montiert ist,
der die von einem der Retroreflektoren parallel zur Einfallsrichtung
und zur Einfallsrichtung versetzt zurückreflektierte Strahlung wieder
zum jeweiligen Retroreflektor zurückwirft, so daß das
erste und das zweite Verstellmittel durch die rotierende Scheibe
mit den Retroreflektoren und die Endspiegel gebildet ist. Die zu
einem Prismenpaar gehörenden Prismen können auch
auf verschiedenen Seiten der Scheibe montiert sein, was Platzersparnis
und höhere Positionierungsfreiheit bietet.
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Es
sei aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die
Erfindung nicht auf rotatorische Mittel einsetzende Verstellmittel
beschränkt ist. Auch mit herkömmlichen Linearverschiebungen,
wie sie beispielsweise in der schon erwähnten
US 6779891 beschrieben sind, oder
auch bei Anwendung von Faserstreckern, erreicht die Erfindung eine
Beschleunigung der Messung.
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Weiter
steuert die Erfindung in einer vorteilhaften Weiterbildung die beiden
Verstellungen signalabhängig, d. h. abhängig vom
detektierten Signal. Dies erleichtert es, gewünschte Strukturen
zu finden oder günstige Scanbereiche für Signal/Rausch-Verhältnis
verbessernde Mittelungen einzustellen. Optional werden durch die
zwei unabhängig betreibbaren und aufeinander abgestimmt
betriebenen Verstellmittel auch unterschiedliche Durchstimmgeschwindigkeiten
für die Weglängenveränderungen in den
Teilstrahlen(gängen) genutzt, so daß bei wiederholten Messungen
bestimmte Relativverzögerungen bei unterschiedlichen Lagen
der Verstellmitlel auftreten. Mittelt man über die dann
bei unterschiedlichen Verstellmittelstellungen vorgegebenen identischen
Relativverschiebungen bzw. -abständen, sind systematische
Störungen in den Verstellmitteln gemindert.
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Da
in vielen Fällen die Verstellmittel keine gleichförmige
Verstellung der Weglänge realisieren, sondern beispielsweise
sinusförmige Schwingungen, ist die Verwendung einer Weg-
und/oder Geschwindigkeitsmessung vorteilhaft, um den Verstellweg
der Relativabstände zu erfassen und somit eine Korrektur
der dadurch eingestellten Tiefenprofile zu erreichen. Geeignete
Meßeinrichtungen können auf elektrischen, magnetischen,
elektromagnetischen oder optischen Prinzipien beruhen. Als Beispiele
sind zu nennen: kapazitive, induktive, resistive oder magnetische
Messungen (Hallsensoren), optische oder magnetische Kodierungen
(Encoder), Inkrementalgeber (vgl.
US
5719673 ), differentielle Messungen, Lagemessung, Triangulationsmessungen
(beispielsweise mit Reflexkopplern) sowie auch interferometrische Messungen,
beispielsweise durch Zählen von Interferenzmodulationen.
Hierzu kann die Signalstrahlung selbst zur Geschwindigkeitsbestimmung
in den relevanten Teilen des Verstellweges genutzt werden (vgl.
DE 19810980 ), aber alternativ
auch langkohärente Strahlung einer schmalbandigen Laserdiode
zusätzlich ins Interferometer eingekoppelt und deren Interferenzen über
den ganzen Verstellweg detektiert und ausgewertet werden. Geschwindigkeits-
und Lagemeßeinrichtungen in Verbindung mit geeigneten Regelungen
sind insbesondere auch zum abgestimmten Betrieb mehrerer Verstelleinrichtungen
geeignet. Alternativ kommen dafür auch mechanische Kopplungen
in Frage.
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Die
Interferometereinrichtungserzeugung des Doppelstrahls kann jedes
geeignete Interferometerprinzip verwenden, insbesondere einen Michelson-Aufbau
oder einen Mach-Zehnder-Aufbau. Hierbei weist besonders der letztere
den Vorteil eines rückreflexfreien Betriebs auf, welcher
insbesondere bei Verwendung in einem Vorinterferometer den Einsatz
von optischen Isolatoren zum Schutz der Lichtquelle erspart. Rückreflexe
in die Lichtquelle sind insbesondere dann problematisch, wenn diese
eine Lichtverstärkung beinhaltet (wie z. B. bei Laser,
Superlumineszenzdiode).
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Soweit
im Rahmen dieser Beschreibung Verfahrensschritte oder ein Verfahren
betreffende Merkmale erläutert werden, kann für
die ebenfalls erläuterte Vorrichtung vorgesehen werden,
daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie
an der Vorrichtung einen diese Verfahrensschritte bzw. -merkmale
realisierenden Betrieb bzw. eine entsprechende Funktion bewirkt.
Umgekehrt ist ein beschriebenes funktionelles Merkmal bzw. eine
erläuterte Arbeitsweise der Vorrichtung auch als entsprechender
Verfahrensschritt bzw. entsprechendes Verfahrensmerkmal für
das geschilderte Verfahren verwendbar.
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Soweit
in dieser Beschreibung bezüglich einzelner Aspekte, Prinzipien
und/oder Elemente auf Vorveröffentlichungen verwiesen ist,
seien diese durch Inbezugnahme hier vollumfänglich in die
Offenbarung einbezogen.
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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 Ausführungsform eines Interferometers
zur Messung von Relativabständen am Auge,
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2 eine
weitere Ausführungsform einer Vorrichtung ähnlich
der der 1,
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3 eine
weitere Ausführungsform ähnlich der der 1,
wobei für eine Weglängenverstellmechanik ein Rad
mit Doppelprismen zum Einsatz kommt,
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4 eine
Bauweise ähnlich der 1, wobei
zwei nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Verstellmechanismen
vorgesehen sind,
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5a und
b mögliche Mechanismen zur Weglängenverstellung
für eines der hier beschriebenen Interferometer,
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6 eine
faseroptische Realisierung eines Interferometers ähnlich
dem der 1,
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7 eine
Weiterbildung des Interferometers der 6,
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8 eine
Schemadarstellung eines Interferometers zur relativen Abstandsmessung
am Auge, wobei im Unterschied zur Bauweise der 1 ein Nach-Interferometer
zum Einsatz kommt,
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9 eine
Abwandlung des Interferometers der 7, die Meßstrahlung
in unterschiedliche Bereiche der Probe gleichzeitig fokussiert.
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1 zeigt
einen optischen Kohärenztomographen (OCT), der für
die Reflektrometrie ausgebildet ist. Er wird nachfolgend als OCT 1 bezeichnet. Der
exemplarisch beschriebene OCT 1 dient zur Vermessung von
Längen an einem Auge 2. Natürlich sind
aber auch andere Abstands- oder Längenmessungen an zumindest
teiltransparenten Objekten möglich. Er ist für
die Zeitdomänen-Kohärenztomographie ausgebildet
und weist eine dafür geeignete Quelle 3 als Strahlungsquelle
auf. Geeignet für Achslängenmessungen wären
beispielsweise vielmodige Laserdioden oder breitbandigen Superlumineszenzdioden.
Die Strahlung hat eine Wellenlänge, die eine genügende
Transmission in den zu erfassenden Probenregionen gewährleistet.
Beispielsweise sind für Achslängenmessung am Auge
die Wassertransmissionsfenster um 810 nm und 1060 nm (also 700 ... 920
nm und 1020 ... 1100 nm) brauchbar. Für Messungen im Bereich
der Vorderkammer des Auges, also beispielsweise zur Bestimmung der
Vorderkammertiefe, ist auch Strahlung um 1300 nm tauglich. Bei Quellen
mit diskreten Moden müssen die Modenabstände dabei
derart klein sein, daß durch Aliasing-Effekte keine Uneindeutigkeiten
bei Strukturbeabstandungen auftreten. Die benötigte Bandbreite
wird durch die angestrebte Tiefenauflösung über
die bereits genannte Beziehung bestimmt.
-
Die
Strahlung der Quelle 3 wird in einem Michelson-Interferometer 4 in
einen Doppelstrahl umgewandelt, der die Strahlung der Quelle 3 in
zwei Anteilen aufweist, welche in Strahlrichtung, also axial gegeneinander
versetzt sind, also gegeneinander optisch verzögert sind.
-
Zur
Erzeugung dieses Doppelstrahls ist in der Bauweise der 1 das
Michelson-Interferometer 4 verwendet, das einen Strahlteiler 5 aufweist, welcher
die Strahlung der Quelle 3 in zwei Teilstrahlengänge 6, 7 leitet.
Jeder Teilstrahlengang umfaßt eine Verzögerungsstrecke,
die die Propagation des in den Teilstrahlengang eingeführten
Anteils der Strahlung der Quelle 3 verzögert.
Für den Teilstrahlengang 6 ist eine Verzögerungsstrecke 8,
für den Teilstrahlengang 7 eine Verzögerungsstrecke 9 vorgesehen.
-
Die
Verzögerungsstrecken 8, 9 bewirken eine
unterschiedliche Verzögerung der ihr zugeführten
Strahlung, und im jeweiligen Teilstrahlengang 6, 7 wird
die Strahlung dann zum Strahlteiler 5 zurückgeleitet,
wo die Strahlung aus den Teilstrahlengängen wieder überlagert
wird. Im Ergebnis liegt nach dem dann als Vereiniger wirkenden Strahlteiler 5 eine Meßstrahlung 10 vor,
die der erwähnte Doppelstrahl ist. Durch einen weiteren
Strahlteiler 11 wird diese Meßstrahlung auf das
Objekt, in diesem Fall das Auge 2 gerichtet. Strukturen
im Auge 2 rückreflektieren bzw. -streuen die Meßstrahlung,
so daß vom Auge 2 Probenstrahlung 12 zurückkehrt.
Diese wird am Strahlteiler 11 zu einer Detektoreinrichtung
ausgekoppelt, die einen Photoempfänger 14 sowie
einen dessen Signale aufbereitenden Verstärker 15 umfaßt.
Die Signale am Ausgang dieses Verstärkers 15 werden
hierbei in einer, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten,
Auswerteeinheit unter Einbeziehung der momentanen Lagen der Verstellmittel 8 und 9 hinsichtlich
Beabstandung zu vermessender Strukturen ausgewertet und optional
auch als tiefenaufgelöstes Streuprofil (A-scan) dargestellt.
Die momentanen Lagen der Verstellmittel können hierbei
mittels nicht dargestellter, aber zuvor erläuterter Meßeinrichtungen
gemessen werden oder aber aus den Steuersignalen der Steuereinrichtung 16 bestimmt
werden.
-
Wie
zuvor bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert,
tritt in der Probenstrahlung 12 dann Interferenz auf, wenn
im Auge 2 Strukturen vorhanden sind, die entlang der Einfallsrichtung
der Meßstrahlung 10 einen Abstand haben, der dem
halben axialen Versatz der Anteile im Doppelstrahl entspricht. Diese
Abstandsvorgabe gilt natürlich innerhalb der Kohärenzlänge
der Strahlung der Quelle 3, die deshalb die axiale Auflösung
bestimmt.
-
Um
nun den Relativabstand, in dem auf diese Weise Strukturen erfaßt
werden, zu verstellen und dadurch ein Tiefenprofil der Probe aufzunehmen, sind
die Verzögerungsstrecken 8, 9 hinsichtlich
der optischen Weglänge verstellbar. Sie werden von einer
Steuereinrichtung 16 entsprechend angesteuert.
-
Dabei
wird eine schnelle Ansteuerung in einer Ausführungsform
der Erfindung dadurch erreicht, daß die Verzögerungsstrecken 8, 9 gegenläufig
angesteuert werden. Verlängert beispielsweise die Verzögerungsstrecke 8 die
optische Weglänge des Strahlenganges 6, verkürzt
gleichzeitig die Verzögerungsstrecke 9 die optische
Weglänge des Teilstrahlenganges 7. Die Weglängendifferenz
und damit der axiale Versatz der Anteile im Doppelstrahl variiert
damit mit der Summe der Verstellgeschwindigkeiten der Verzögerungsstrecken 8, 9.
Auf diese Weise wird eine Meßgeschwindigkeit erreicht,
die deutlich über der Geschwindigkeit liegt, mit der die
Verzögerungsstrecken 8, 9 verstellt werden
können. Weiter wird der Verstellbereich größer,
als der einer der Verzögerungsstrecken 8, 9.
Der Gesamtverstellbereich addiert sich ebenfalls aus den Einzelvertellbereichen der
Verzögerungsstrecken 8, 9. Es kann somit
eine Augenlängenmessung mit hoher Geschwindigkeit mittels
Verzögerungsstrecken erreicht werden, die jede für
sich alleine eine Erfassung der Augenlänge, welche typisch
zwischen 22 und 25 mm liegt, nicht erlauben würde.
-
Die
Verzögerungsstrecken fungieren als einstellbare Verstellmittel
für die optische Weglänge. Dabei ist eine gegenläufige
Wirkung dieser Verstellmittel nicht die einzige vorteilhafte Art,
die Verstellmittel bzw. Verzögerungsstrecken aufeinander
abgestimmt zu betreiben, Auf Alternativen hierzu wird noch eingegangen.
-
2 zeigt
ein Beispiel für gegenläufig arbeitende Verstellmittel.
In 2 sind Elemente, die funktionell öder
strukturell bereits anhand der 1 erläuterten
Elementen entsprechen, mit den selben Bezugszeichen wie in 1 versehen.
Ihre Beschreibung wird deshalb hier nicht noch einmal wiederholt.
Dies gilt natürlich nicht nur für die 1 und 2,
sondern auch für alle weiteren Figuren, in denen funktionell
oder strukturell sich entsprechende Bauteile durchgängig
mit den selben Bezugszeichen versehen sind. Vorteilhaft in dieser
rein reflektiven Ausführung ist das Fehlen von Störungen
infolge von Glaswegpropagationen, wie Dispersion, Absorption oder
Reflexen an Glaseintrittsflächen.
-
In
2 sind
die Verzögerungsstrecken
8,
9 jeweils
durch den aus der
US 6243191 bekannten Aufbau
ersetzt, der rotierende Verzögerungsstrecken aufweist,
die auf einem Drehteller
17, der auch als Scheibe aufgefaßt
werden kann, gebildet sind. Dazu befinden sich auf dem Drehteller
17 der
Drehachse parallele Spiegel
19,
20, welche so
angeordnet sind, daß die einfallende Strahlung zuerst vom
am Rand des Drehtellers liegenden Spiegel
19 zu dem am
gegenüberliegenden Rand liegenden Spiegel
20 und von
dort zu einem Endspiegel
21 abgelenkt wird. Der Endspiegel
21 reflektiert
die Strahlung denselben Weg zurück. Während die
Weglänge zwischen den Spiegeln
19,
20 konstant
ist (sie ist durch den Abstand der beiden Spiegel von der Drehachse
18 vorgegeben),
wird die gesamte Weglänge von der Drehstellung des Drehtellers
17 beeinflußt.
Je nach Drehlage ist die Weglänge vom Strahlteiler
5 bis
zum Spiegel
19 bzw. vom Spiegel
20 zum Endspiegel
21 verlängert
oder verkürzt. Läßt man nun den Drehteller
17 rotieren,
ergibt sich eine Wiederholung von Verlängerungen oder Verkürzungen
der optischen Weglänge, je nach Rotationsrichtung. In der
Darstellung der
2 rotiert der Drehteller
17 gegen
den Uhrzeigersinn, was in der Verzögerungsstrecke
9 eine
sich wiederholende Verlängerung der optischen Weglänge
ergibt. Eine Rotation des gleichen Aufbaus im Uhrzeigersinn führt
in der Verzögerungsstrecke
9 zu einer gegengleichen
Verkürzung der optischen Weglänge. Eine aufeinander
abgestimmte, also synchronisierte Rotation der Drehteller
17 in
den Verzögerungsstrecken
8,
9 erreicht
somit eine gegenläufige Verstellung der Verzögerungsstrecken
mit den erwähnten Vorteilen. Die Synchronisierung kann
durch eine elektronische Regelung erfolgen oder aber auch auf mechanischem
Wege, beispielsweise mittels geeigneter, spielarmer Zahnradgetriebe
zur Realisierung einer Gegenrotation der Drehteller.
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Es
ist im Stand der Technik für verstellbare Verzögerungsstrecken
auch bekannt, den Spiegel
19 und ggf. den Spiegel
20 durch
ein retroreflektierendes Prisma, z. B. ein Tripelprisma, zu ersetzen.
Hierzu wird auf die in diesem Zusammenhang voll umfänglich
einbezogene
US 7227646 oder
die bereits erwähnte Veröffentlichung von Hasegawa
et al. hingewiesen.
-
In
den 1 und 2 wurde die Strahlführung
durch Freistrahloptiken realisiert. Natürlich können
auch Faseroptiken verwendet werden. Der Wechsel zwischen Freistrahloptiken
und Faseroptiken ist dem Fachmann bekannt, so daß alle
hier anhand von Freistrahloptiken beschriebenen Aufbauten auch vollständig
oder teilweise mit Faseroptiken realisiert werden können
und umgekehrt.
-
3 zeigt,
hier exemplarisch in faseroptischer Realisierung, schematisch ein
OCT 1, bei dem die Verstellmittel zur gegenläufigen
Weglängenverstellung in den Teilstrahlengängen 6, 7 durch
ein Kombinationswirkung entfaltendes Bauteil verwirklicht sind.
Die Strahlung der Quelle 3 wird durch eine Lichtleitfaser 22 zu
einem Faserkoppler 23 geführt, der die Funktion
des Strahlteilers 5 der 1 und 2 hat.
Lichtleitfasern 26 bzw. 27 führen die
Strahlungen in den Teilstrahlgängen 6 bzw. 7.
Die entsprechend in den Teilstrahlgängen 6, 7 unterschiedlich verzögerten Strahlungsanteile
werden dann vom Faserkoppler 23 (zumindest anteilsweise) über
eine nicht näher bezeichnete Lichtleitfaser als Meßstrahlung 10,
die als Doppelstrahl ausgebildet ist, zu einem Faserkoppler 24 geleitet,
welcher die Funktion des Strahlteilers 11 hat. Über
einen Kollimator 25 gelangt die Meßstrahlung so
zum Auge 2 bzw. wird die Probenstrahlung 12 wieder
aufgenommen und über den Faserkoppler 24 zum Photoempfänger 14 geleitet.
Zusätzlich und nicht näher bezeichnet ist in 3 noch
dargestellt, daß ein vierter Ausgang des Faserkopplers 24 zu
einem weiteren Photoempfänger mit nachgeordneter Elektronik
geleitet ist. Dieser Ausgang dient zu Kontrollzwecken, beispielsweise
für Signalnormierungen oder zur Realisierung einer für Medizingeräte
vorgeschriebenen Schutzeinrichtung zur Gewährleistung von
Bestrahlungsgrenzwerten durch geeignete Steuerung der Lichtquelle.
-
Die
Verzögerungsstrecken der Teilstrahlengänge 6 und 7 sind
in der Bauweise der 3 durch eine Kombinationselement
realisiert, das wiederum einen Drehteller 30 umfaßt.
Auf dem Drehteller befinden sich Tripelprismenpaare 31,
wobei hier ohne Beschränkung und der Übersichtlichkeit
halber vier Paare dargestellt sind. Die einzelnen Tripelprismen 32 und 33 jedes
Paares wirken im Rahmen einer optischen Weglängenverstellung
für den Teilstrahlengang 6 bzw. 7. So
wird beispielsweise im Teilstrahlengang 6 an der Lichtleitfaser 26 eingespeiste
Strahlung aus einem Kollimator 28 auf das Tripelprisma 33 geleitet,
das eine Retroreflexion durchführt. Hierunter wird verstanden,
daß die Strahlung vom Tripelprisma 33 parallel
zur Einfallsrichtung, aber ggf. dazu versetzt wieder abgegeben wird.
Sie fällt dann auf einen Endspiegel 35, der die
Strahlung wieder den Einfallsweg zum Kollimator 28 zurückleitet,
von wo sie zur Lichtleitfaser 26 gelangt. Eine analoge
Wirkung hat das zweite Tripelprisma 32 des Tripelprismenpaares für
den zweiten Teilstrahlengang 7. Dort in die Lichtleitfaser 27 eingespeiste
Strahlung wird vom Kollimator 29 auf das Tripelprisma 32 geleitet,
von wo es zum Endspiegel 34 reflektiert wird. Der Endspiegel 34 wirft
die Strahlung über das Tripelprisma 32 zum Kollimator 29 zurück.
-
Eine
Drehung der Scheibe 30 in Richtung des Pfeils verkürzt
nun die optische Weglänge für den Teilstrahlengang 7 und
verlängert die optische Weglänge für
den Teilstrahlengang 6 um das gleiche Maß. Hierfür
ist wesentlich, daß die Tripelprismen 32, 33 jeweils
Strahlung, die in einem gewissen Sektor um eine Haupteinfallsrichtung
auf das Tripelprisma fällt, parallel zur Einfallsrichtung
der Strahlung versetzt wieder abgeben. Weiter sind im Tripelprismenpaar 31 die
Tripelprismen 32, 33, mit zusammenfallender Haupteinfallsrichtung
und zueinander entgegengesetzt angeordnet, zusammengefaßt.
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Schließlich
sind die Kollimatoren 29, 28 bzw. die Endspiegel 34, 35 so
ausgerichtet, daß sie die Strahlung innerhalb des Sektors,
in dem das jeweilige Tripelprisma 32, 33 arbeitet,
einstrahlen oder aufnehmen (im Falle der Kollimatoren) bzw. zur
Reflektion aufnehmen und rückreflektieren (im Falle der
Endspiegel). In der Bauweise der 3 ist dies
dadurch erreicht, daß die Hauptreflexionsachsen des Tripelprismenpaares 31 tangential
zur Rotation der Drehscheibe 30 liegen. Dies ist jedoch
nicht zwingend, da auch andere Aufbauten möglich sind.
Beispielsweise können die Kollimatoren 29, 28 auch
Strahlung zu Tripelprismen verschiedener Tripelprismenpaare erzeugen,
allerdings mit unterschiedlicher Ausrichtung der Reflexionsrichtung
in Bezug auf die tangentiale Scheibenrotationsrichtung.
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Weiter
trägt die Drehscheibe 30 vorzugsweise mehrere
Tripelprismenpaare 31, so daß eine Rotation der
Drehscheibe 30 zu einer wiederholten Verkürzung
des einen bei gleichzeitiger Verlängerung des anderen Teilstrahlenganges
führt. Bei einer Drehrichtung, wie sie in 3 durch
einen Pfeil angedeutet ist, wird der Teilstrahlengang 7 verkürzt
und der Teilstrahlengang 6 verlängert. Alternativ
kann auch eine oszillierende Drehscheibe verwendet werden, die ein
Tripelprismenpaar 31 trägt.
-
Nicht
dargestellt sind grundsätzlich optionale Mittel zur Angleichung
der teilweisen oder vollständigen Polarisationsangleichung
der zu detektierenden, d. h. zur Interferenz zu bringenden, Probenstrahlungsanteile
am Ort des Detektors. Diese können beispielsweise in den
Interferometerarmen angeordnet sein und beispielsweise als sogenannte „polarisation paddles” ausgeführt
sein, also fixen oder beweglichen, auf Biegungsdoppelbrechung beruhenden
polarisationsverändernden Faserschleifen. Alternativ können
auch Wellenplatten in den Freistrahlbereichen genutzt werden. insbesondere
sei auf die Möglichkeit verwiesen, daß auch eine
Polarisationszustandsangleichung zwischen dem von der Hornhaut direkt
reflektierten Doppelstrahlungsanteil und dem, die im Allgemeinen
polarisationsverändernde Hornhaut durchquerenden und von
tieferliegenden Strukturen rückgestreuten Doppelstrahlungsanteil
ermöglicht wird.
-
Durch
die überlagerte Führung der Doppelstrahlungsanteile
in den Fasern
10 und
12 wirken polarisationsoptische
Störungen dort auf beide Doppelstrahlungsanteile gemeinsam
und in gleicher Weise, insbesondere wenn ihre Polarisationszustände schon
bei der Überlagerung im Koppler
23 entsprechend
abgeglichen wurden. Dadurch können auch flexible, d. h.
bewegliche Faserverbindungen verwendet werden, beispielsweise um
ein handgeführtes Achslängenmeßgerät
zu realisieren, ähnlich den bekannten Ultraschallgeräten
(vgl.
DE 4235079 ).
-
4 zeigt
schematisch eine Bauweise für das OCT 1, bei der
die Verstellung der Teilstrahlengänge 6, 7 unterschiedlichen
Beitrag zur Einstellung des Reflektionsstellenabstandes leisten.
Das OCT 1 der 3 entspricht im Wesentlichen
der Bauweise der 1 oder 2, allerdings
mit einer anderen Ausbildung der Verzögerungsstrecken.
-
Die
Verzögerungsstrecke des Teilstrahlenganges 6 ist
nun als diskrete Weglängenverstelleinrichtung realisiert,
hier exemplarisch als Stufenreflektor 36 ausgebildet, wohingegen
die Verzögerungsstrecke des Teilstrahlenganges 7 als
kontinuierliche Weglängenverstelleinrichtung verwirklicht
ist, hier als Längsschwingspiegel 37 ausgebildet.
Der Längsschwingspiegel 37 wird durch einen entsprechenden Erreger,
beispielsweise einen Elektromagneten, in hochfrequente Schwingungen
versetzt, beispielsweise Schwingungen in der Größenordnung
von 100 Hz mit einem Hub von 5 mm. Der Stufenreflektor 36 kann
längs des symbolisch eingezeichneten Pfeiles verschoben
werden und erlaubt eine Meßbereichsumschaltung, wie es
die schematisch angedeuteten Stufen des Stufenspiegels 37 zeigen.
Der Stufenspiegel 36 bewirkt damit eine Einstellung des
Meßbereiches bzw. eine grobe Einstellung der Meßtiefe,
indem er entsprechend diskret einstellbare Weglängenunterschiede
bereitstellt. Der maximale Weglängenunterschied, der an
der diskreten Weglängenverstelleinrichtung bewirkt werden
kann, ist vorzugsweise ein Vielfaches des Hubes der kontinuierlichen Weglängenverstelleinrichtung.
Diese ist vergleichsweise kurzreichweitig in der Weglängenänderung. Vorzugsweise
werden die beiden Einrichtungen so synchronisiert angesteuert, daß die
Umschaltung zwischen diskreten Weglängenänderungen
des Stufenspiegels 36 zu Zeitpunkten erfolgt, in denen
der Längsschwingspiegel 37 sich an einem Umkehrpunkt befindet.
Die diskrete Verstellzustände des Verstellelementes 36 sind
dabei bevorzugt so auf den Hub des kontinuierlich betriebenen Verstellelementes 37 abgestimmt,
daß zu jedem diskreten Hubzustand des Verstellelementes 36 ein
zweiter existiert, wodurch die Hubdifferenz zwischen diesen kleiner
gleich dem maximalen Hub des kontinuierlich betriebenen Verstellelementes 37 ist.
Im Ergebnis ist eine lückenlose Abdeckung des Gesamtverstellbereichs
erzielt. Bekannte Gesamtverstellbereiche zur Biometrie menschlicher
Augenlängen sind 14 ... 40 mm, obwohl mehr als 90% Teil
der Augenlängen im Bereich von 20 ... 28 mm zu erwarten
sind.
-
Eine
weitere, zeitliche Abstimmung der Verstellungen der Verstellelemente 36 und 37 besteht darin,
daß der Hub des schnellen, kontinuierlich betriebenen Verstellelementes 37 mindestens
einmal vollständig durchfahren wird, bevor eine Umschaltung
des diskreten Hubzustandes am Verstellelementes 37 erfolgt.
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Prinzipiell
ist es aber auch möglich, mittels eines sehr schnell umschaltbaren
diskreten Elementes 36 und bei langsamer Verstellung des
kontinuierlichen Verstellelementes 37 einen Multiplex-Betrieb zu
realisieren, bei dem für jeden Zustand des kontinuierlichen
Verstellelementes 37 immer alle diskreten Verstellungen
des Verstellelementes 36 realisiert werden.
-
In
beiden Varianten ist sehr vorteilhaft, eine zeitsparende Beendigung
der Messung bei Feststellung eines ausreichenden bzw. eindeutigen
Meßsignals vorzunehmen, wenn also abzusehen ist, daß durch
weitere Verstellung der Verstellelemente 36 und 37 keine
weiteren nützlichen Informationen mehr gewonnen werden
können.
-
Die
Stellung des Stufenspiegels 36 gibt den Bereich vor, in
dem die schnelle Verstellung des Längsschwingspiegels 37,
der kontinuierlich die Weglänge verstellt, rückreflektierende
oder -streuende Stellen im Objekt, d. h. dem Auge 2 erfaßt.
Es wird deshalb bevorzugt unter Steuerung des Steuergerätes 16 (der
Einfachheit halber in den 2 und folgende
nicht gezeigt) die Messung mit einer Stellung des Stufenspiegels 36 begonnen,
die einem Meßbereich entspricht, in dem eine rückstreuende
oder -reflektierende Stelle im Objekt zu erwarten ist, um einen
Referenzpunkt für die weiteren Messungen zu gewinnen. Im
Falle der Messung menschlicher Augenlängen wäre
dies beispielsweise der Bereich von 23 +/– 2 mm. (siehe
beispielsweise Wojciechowski et al., „Age, Gender,
Biometry, Refractive Error, and the Anterior Chamber Angle among
Alaskan Eskimos", Ophthalmology Volume 110, Number 2, February 2003).
-
Realisiert
man, wie in der Bauweise der
4 exemplarisch
der Fall, die kontinuierliche Verzögerungsstrecke im Teilstrahlengang
7 durch
einen Längsschwingspiegel
37, liegt keine gleichförmige Änderung
der optischen Weglänge vor (dies kann auch bei anderen
Verzögerungsstrecken der Fall sein). Es ist dann günstig,
an der Verzögerungseinrichtung eine Weg- oder Geschwindigkeitsmeßeinrichtung
vorzusehen, um die Korrektur eines gemessenen Tiefenprofils auszuführen.
Dies wurde bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung näher
erläutert. Ein weiteres Beispiel für eine schnell
und kontinuierlich verstellende Verzögerungsstrecke ist
der aus der
US 6654127 beschriebene
Aufbau. Er kann hier ebenfalls verwendet werden, so daß der
Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift diesbezüglich voll hier
einbezogen ist.
-
5a zeigt
eine Prismenradvariante mit doppelter Verstellwirkung, die in einem
oder beiden Interferometerarmen zum Einsatz kommen kann. Ein einfallender
Strahl 53 wird an einem Tripelprisma 32, das auf
dem Drehteller 30 befestigt ist, umgelenkt und über
Spiegel 54 bis 57 zu einem bezogen auf die Drehtellerachse
gegenüberliegenden Tripelprisma 33 geleitet. Von
dort tritt es als auslaufender Strahl 58 aus. Die Weglänge
hängt von der Drehtellerstellung ab. Der Aufbau der 5a hat
eine doppelte Verstellwirkung bei gleichzeitiger Kompensation eines
drehwinkelabhängigen Strahlversatzes aufgrund des symmetrischen
Strahlenganges. Die seitliche Strahllage am Ausgang ist somit stabil,
was insbesondere für Faserkopplungen günstig ist.
-
5b zeigt
eine Kombination des Prinzips der 5a mit
dem Prinzip des Drehtellers bzw. Aufbaus der 3. Der einfallende
Strahl 53 stammt aus einem Interferometerarm, beispielsweise
dem Kollimator 29, wohingegen der einfallende Strahl 59 (gepunktet
gezeichnet) aus dem anderen Interferometerarm kommt, beispielsweise
dem Kollimator 28. Nach einem erstem Durchlauf durch das
entsprechende Tripelprisma des Doppelprismenpaares 31 werden
die Strahlen analog zu 5a zum jeweils anderen Tripelprisma
geführt. Zueinander gehörende Strahlen sind durchgezogen
(im Falle des einen Interferometerarms) bzw. punktiert (im Falle
des anderen Interferometerarms) gezeichnet. Im Ergebnis tritt für
den einen Interferometerarm ein auslaufender Strahl 58 und
für den anderen Interferometerarm ein auslaufender Strahl 60 aus.
-
Exemplarisch
wurde die Erzeugung des Doppelstrahls bislang anhand eines Vor-Interferometers
geschildert, das als Michelson-Interferometer 4 ausgebildet
ist. Natürlich sind auch andere Interferometerstrukturen
geeignet, beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferometer, wie es
in 6 schematisch dargestellt ist. Hier wird die Strahlung
der Quelle 3 in eine Lichtleitfaser 22 eingekoppelt
und an einem Faserkoppler 23 in die zwei Teilstrahlengänge 6, 7 aufgeteilt.
In diesen befinden sich zwei Verzögerungsstrecken 48, 45,
die nun anders als die Verzögerungsstrecken 8, 9 nicht
rein reflektiv arbeiten, sondern die Strahlung mit einstellbarer
Verzögerung, d. h. nach Durchlauf einer optischen Wegstrecke
mit innerhalb gewisser Grenzen einstellbarer Länge, zum
als Vereiniger wirkender Faserkoppler 24 leiten. Von dort
gelangt der derart erzeugte Doppelstrahl über einen Kollimator 25 zum
Auge 2, kehrt als Probenstrahl 12 zurück
und wird vom Faserkoppler 24 zum Photoempfänger 14 und
Verstärker 15 geleitet. Besonders vorteilhaft
ist die rein faseroptische, miniaturisierbare Ausführung
des Interferometers durch Verwendung von entgegengesetzt angesteuerten,
piezoelektrisch betriebenen Faserstreckern als Verstellelemente 45 und 48.
-
7 zeigt
ein OCT 1, das dem der 6 ähnlich
ist. Allerdings ist zum einen nun anstelle des 3 × 3-Kopplers 24 ein
Paar aus 2 × 2-Kopplern 24 und 47 eingesetzt.
Eine weitere Abwandlung, die sich im OCT 1 der 7 findet,
die aber gleichermaßen auch mit den anderen Aufbauten verwendet
werden kann, ist die Ausbildung des Verstärkers 15 als
Detektorschaltung 51, die eine Summen- und/oder Differenzmessung
der am Photoempfänger 14 ankommenden Strahlung
zusammen mit den Signalen eines Photoempfängers 50 durchführt,
der einen Teil der Strahlung der Quelle 3 ohne weitere
Modifikation erhält. Hierdurch ist eine rauschmindernde
balanced detection möglich.
-
Eine
Ausgestaltung, bei der der Überwachungsanschluß 46 zur
Signalgewinnung verwendet werden kann, zeigt 9. Die beiden
Anschlüsse 46 bzw. 64 des Faserkopplers 47 werden
auf Optiken 42 bzw. 43 gekoppelt, welche auf unterschiedliche
Bereiche des Auges 2 fokussieren.
-
Die
so aus unterschiedlichen Abschnitten des Auges zurückkommende
Probenstrahlung durchläuft dann wieder den Faserkoppler 47 und
die Verzögerungsstrecken 8 und 45 und
wird am Faserkoppler 23 zum Detektor 50 ausgekoppelt.
-
Die
Verzögerungsstrecken 8 und 45 wirken also
zum einen als Vor-Interferometer und erzeugen einen Doppelstrahl
am Faserkoppler 47. Zum anderen wirken sie auch als Nach-Interferometer
für die am Faserkoppler 47 zurückkehrende
Probenstrahlung. Damit wird eine doppelte Verzögerung erreicht und
die Meßgeschwindigkeit steigt entsprechend, da kurzhubige
Verzögerungsstrecken möglich sind. Aufgrund doppelten
Durchlaufs wird ihr Hub de facto verdoppelt. Geeignete schnelle
Verzögerungsstrecken sind beispielsweise die bereits erwähnten
piezoelektrischen Faserstrecker.
-
8 schließlich
zeigt schematisch, daß das Interferometer zur Erzeugung
des Doppelstrahls im OCT 1 nicht zwingend als Vor-Interferometer
ausgestaltet sein muß. Es ist durchaus möglich,
den Meßstrahl 10 direkt und ohne vorherige interferometrische
Einwirkung auf das Objekt, d. h. das Auge 2, fallen zu
lassen und statt dessen den Probenstrahl 12 durch ein Nach-Interferometer
so in zwei Anteile aufzuteilen, daß am Photoempfänger 14 wieder
Interferenz auftritt. 8 zeigt dazu beispielhaft ein
Michelson-Interferometer 4 mit den entsprechenden Bauteilen.
Natürlich ist die Realisierung des Nach-Interferometers
nicht auf diese konkrete Struktur beschränkt, sondern alle
Interferometerbauweisen, die als Vor-Interferometer in Frage kommen,
können auch für das Nach-Interferometer verwendet
werden.
-
Die
in allen erläuterten Varianten des OCT 1 vorgesehene
aufeinander abgestimmte Änderung der optischen Weglänge
in den Teilstrahlengängen, welche den Doppelstrahl für
den Meßstrahl 10 oder aus der Probenstrahlung 12 erzeugen,
können nicht nur zur Beschleunigung der Messung genutzt
werden. Verwendet man die unabhängigen Verzögerungsstrecken
mit unterschiedlichen Durchstimmgeschwindigkeiten, ergeben sich
bei wiederholten Messungen bestimmte Relativverzögerungen
aus unterschiedlichen Lagen der Verzögerungsstrecken. Dies erlaubt
es, z. B. durch Mittelungen, systematische Störungen der
Verzögerungsstrecken zu unterdrücken, beispielweise
infolge mechanischer Deformationen an Verzögerungstrecken
oder Wegmeßsystemen. Natürlich kann eine Unterdrückung
auch anderweitig erfolgen, beispielsweise durch geeignete Filterungen
etc.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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