DE102014115155A1 - Optical coherence tomography for measurement at the retina - Google Patents
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Abstract
Ein optischer Kohärenztomograph zur Untersuchung eines Auges (3) eine Beleuchtungseinrichtung (4, 5) zur Bereitstellung von Quellstrahlung, deren Wellenlänge durchstimmbar ist, einen Beleuchtungs- und Messstrahlengang (7), der ein Aufteilungselement (6) zur Aufteilung der Quellstrahlung in Beleuchtungsstrahlung (B) und Referenzstrahlung (R) aufweist, mit der Beleuchtungsstrahlung (B) ein Beleuchtungsfeld im Auge (3) beleuchtet und im Auge (3) rückgestreute Beleuchtungsstrahlung als Messstrahlung (M) aufsammelt, wobei der Beleuchtungs- und Messstrahlengang (7) eine Frontoptik (12) aufweist und die Pupille (P) des Auges (3) eine Pupille des Beleuchtungs- und Messstrahlengangs (7) ist, einen Referenzstrahlengang (8), der die Referenzstrahlung (R) durch eine Verzögerungsstrecke (21) leitet, einen Detektionsstrahlengang (14, 15, 17), der die Messstrahlung (M) vom Beleuchtungs- und Messstrahlengang (7) und die Referenzstrahlung (R) vom Referenzstrahlengang (8) empfängt und überlagert auf mindestens einen Detektor (19, 19a, 19b) leitet, wobei ein Strahlteiler (11) zur Abtrennung der vom Auge (3) aufgesammelten Messstrahlung (M) von der zum Auge (3) geführten Beleuchtungsstrahlung (B) die abgeteilte Messstrahlung (M) zum Detektionsstrahlengang (14, 15, 17) leitet, ein nur auf die Beleuchtungsstrahlung (B) wirkendes optisches Element (10.1, 10.2) die Pupille (P) des Auges (3) ein einem ersten Pupillenbereich (72) ausleuchtet und ein nur auf die Messstrahlung (M) wirkendes optisches Element (14.1, 14.2) die Messstrahlung (M) aus einem zweiten Pupillenbereich (70) der Pupille (P) des Auges (3) aufsammelt, wobei erster und zweiter Pupillenbereich (72, 70) sich nicht überlappen und durch einen Neutralbereich (71) der Pupille (P) des Auges (3) voneinander getrennt sind, der weder zum ersten noch zum zweiten Pupillenbereich (72, 70) gehört.An optical coherence tomograph for examining an eye (3) an illumination device (4, 5) for providing source radiation whose wavelength is tunable, an illumination and measurement beam path (7) having a distribution element (6) for splitting the source radiation into illumination radiation (B ) and reference radiation (R), illuminated with the illumination radiation (B) an illumination field in the eye (3) and in the eye (3) backscattered illumination radiation as measuring radiation (M), wherein the illumination and measuring beam path (7) has a front optics (12 ) and the pupil (P) of the eye (3) is a pupil of the illumination and measurement beam path (7), a reference beam path (8) which passes the reference radiation (R) through a delay path (21), a detection beam path (14, 15, 17), which receives the measuring radiation (M) from the illumination and measuring beam path (7) and the reference radiation (R) from the reference beam path (8) and superimposed a at least one detector (19, 19a, 19b) conducts, wherein a beam splitter (11) for separating the measuring radiation (M) collected by the eye (3) from the illumination radiation (B) guided to the eye (3) transmits the separated measuring radiation (M) leads to the detection beam path (14, 15, 17), an only on the illumination radiation (B) acting optical element (10.1, 10.2), the pupil (P) of the eye (3) a first pupil area (72) illuminates and one only on the Measuring radiation (M) acting optical element (14.1, 14.2) the measuring radiation (M) from a second pupil area (70) of the pupil (P) of the eye (3) collects, wherein the first and second pupil area (72, 70) do not overlap and are separated from each other by a neutral region (71) of the pupil (P) of the eye (3) which belongs neither to the first nor to the second pupil region (72, 70).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Kohärenztomograph zur Untersuchung eines Auges, der aufweist eine Beleuchtungseinrichtung zur Bereitstellung von Quellstrahlung, deren Wellenlänge durchstimmbar ist, einen Beleuchtungs- und Messstrahlengang, der ein Aufteilungselement zur Aufteilung der Quellstrahlung in Beleuchtungsstrahlung und Referenzstrahlung aufweist, mit der Beleuchtungsstrahlung ein Beleuchtungsfeld im Auge beleuchtet und im Auge rückgestreute Beleuchtungsstrahlung als Messstrahlung aufsammelt, wobei der Beleuchtungs- und Messstrahlengang eine Frontoptik aufweist und die Pupille des Auges eine Pupille des Beleuchtungs- und Messstrahlengangs ist, einen Referenzstrahlengang, der die Referenzstrahlung durch eine Verzögerungsstrecke leitet, und einen Detektionsstrahlengang, der die Messstrahlung vom Beleuchtungs- und Messstrahlengang und die Referenzstrahlung vom Referenzstrahlengang empfängt und überlagert auf mindestens einen Detektor leitet.The invention relates to an optical coherence tomograph for examining an eye, which has an illumination device for providing source radiation whose wavelength can be tuned, an illumination and measurement beam path having a distribution element for splitting the source radiation into illumination radiation and reference radiation with the illumination radiation Illuminated illumination field in the eye and in the eye backscattered illumination radiation as measuring radiation, wherein the illumination and measuring beam path has a front optics and the pupil of the eye is a pupil of the illumination and measuring beam path, a reference beam, which passes the reference radiation through a delay line, and a detection beam path , which receives the measurement radiation from the illumination and measurement beam path and the reference radiation from the reference beam path and superimposed on at least one detector passes.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur optischen Kohärenztomographie zur Untersuchung eines Auges, wobei Quellstrahlung bereitgestellt und hinsichtlich ihrer Wellenlänge durchgestimmt und in Beleuchtungsstrahlung und Referenzstrahlung aufgeteilt wird, ein Beleuchtungsfeld im Auge mit der Beleuchtungsstrahlung beleuchtet wird, im Auge rückgestreute Beleuchtungsstrahlung als Messstrahlung aufgesammelt wird, wobei eine Frontoptik verwendet wird und die Pupille des Auges eine Pupille der Beleuchtung und des Aufsammelns der Messstrahlung ist, und die Referenzstrahlung mit der Messstrahlung überlagert wird, um ein Interferenzsignal zu erzeugen, das mit einem Detektor erfasst wird.The invention further relates to a method for optical coherence tomography for examining an eye, wherein source radiation is provided and tuned in wavelength and divided into illumination radiation and reference radiation, an illumination field in the eye is illuminated with the illumination radiation, backscattered in the eye illumination radiation is collected as measurement radiation wherein a front optic is used and the pupil of the eye is a pupil of the illumination and the collection of the measurement radiation, and the reference radiation is superimposed with the measurement radiation to produce an interference signal which is detected by a detector.
Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist in der Augenheilkunde ein etabliertes Verfahren zur Abbildung des Auges. Sie erlaubt eine dreidimensionale Abbildung, die in der Diagnose von Augenerkrankungen und deren Verlauf sehr hilfreich ist. Hier sind insbesondere Erkrankungen der Retina zu nennen, wie das Glaukom oder die altersbedingte Makuladegeneration. Bei OCT-Systemen ist die laterale Auflösung (x und y) durch die numerische Apertur (NA) der verwendeten Optik festgelegt. Die axiale Auflösung (z) wird hingegen aus einem Interferenzmuster berechnet und ist in der Regel sehr viel größer als die Tiefenschärfe der Abbildung, welche wiederum von der numerischen Apertur abhängt, genauer proportional zu 1/NA2 ist. Beim üblicherweise verwendeten Fourier-Domain-OCT, das eine breitbandige oder in der Wellenlänge verstellbare Strahlungsquelle einsetzt, ist die Tiefenauflösung invers proportional zur spektralen Bandbreite, genauer proportional zu λ2/Δλ, wobei λ die mittlere Wellenlänge und Δλ die Bandbreite ist.Optical coherence tomography (OCT) is an established method of eye imaging in ophthalmology. It allows a three-dimensional image, which is very helpful in the diagnosis of eye diseases and their course. In particular, diseases of the retina, such as glaucoma or age-related macular degeneration, may be mentioned here. In OCT systems, the lateral resolution (x and y) is determined by the numerical aperture (NA) of the optics used. The axial resolution (z), on the other hand, is calculated from an interference pattern and is usually much larger than the depth of field of the image, which in turn depends on the numerical aperture, more precisely proportional to 1 / NA 2 . In the commonly used Fourier domain OCT employing a broadband or wavelength adjustable radiation source, the depth resolution is inversely proportional to the spectral bandwidth, more precisely proportional to λ 2 / Δλ, where λ is the mean wavelength and Δλ is the bandwidth.
Zur Messung der Retina des menschlichen Auges benötigt man sowohl eine hohe laterale als auch eine hohe axiale Auflösung. Zugleich soll das erfassbare und damit beleuchtete Volumen in der Tiefe (längs der optischen Achse) möglichst groß sein; dies bedingt eine kleine numerische Apertur (NA) des optischen Systems ab. Die laterale Auflösung fordert eine große numerische Apertur. Somit sind im Stand der Technik letztlich die Ausdehnung des in der Tiefe zugänglichen Bereichs und die laterale Auflösung über die numerische Apertur des optischen Systems miteinander verknüpft und können nicht unabhängig voneinander eingestellt werden.Measurement of the retina of the human eye requires both high lateral and high axial resolution. At the same time the detectable and thus illuminated volume in the depth (along the optical axis) should be as large as possible; This causes a small numerical aperture (NA) of the optical system. The lateral resolution requires a large numerical aperture. Thus, in the prior art, ultimately, the extent of the depth-accessible region and the lateral resolution are linked by the numerical aperture of the optical system and can not be adjusted independently.
Aus der
Die Bildgebung mittels OCT wird von im wesentlichen drei Rauscheffekten beeinflusst. Eine erste Rauschquelle wird mit der Abkürzung RIN bezeichnet, die für „relative intensity noise” steht und sich darauf bezieht, dass inkohärente Modulationen/Wechselwirkungen bei unterschiedlichen Frequenzen in einer optischen Welle auftreten können. Letztlich liegt die Ursache für dieses Rauschen in der Strahlungsquelle, und eine Möglichkeit zum Unterdrücken des RIN liegt darin, mittels eines besonderen Detektors das Intensitätsrauschen zu messen und zum Signal zu korrelieren. Eine bauliche verbreitete Lösung hierfür ist die sogenannte „balanced detection”. Weiter ist die sogenannte Off-Axis-Detektion als Lösungsmöglichkeit bekannt. Letztlich wird mit diesen Ansätzen der Dynamikanteil des Messsignals und damit das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert.OCT imaging is affected by essentially three noise effects. A first noise source is abbreviated RIN, which stands for "relative intensity noise" and refers to incoherent modulations / interactions at different frequencies in an optical wave. Ultimately, the cause of this noise is in the radiation source, and one way to suppress the RIN is to use a special detector to measure the intensity noise and correlate it to the signal. A structural common solution for this is the so-called "balanced detection". Next, the so-called off-axis detection is known as a possible solution. Ultimately, these approaches improve the dynamic range of the measurement signal and thus the signal-to-noise ratio.
Eine zweite Rauschquelle stellt der sogenannte „beat noise” dar. Man kann es als Sonderform des RIN, die durch inkohärente Wechselwirkung zwischen der Referenzstrahlung und der inkohärenten Strahlung der Messstrahlung verursacht werden, auffassen. Auch bei einer vollständigen Unterdrückung des RIN, beispielsweise durch eine balanced detection, liegt dieses Rauschen vor. A second noise source is the so-called "beat noise". It can be considered as a special form of RIN, which is caused by incoherent interaction between the reference radiation and the incoherent radiation of the measurement radiation. Even with a complete suppression of the RIN, for example, by a balanced detection, this noise is present.
Eine dritte Rauschquelle ist das sogenannte „coherence revival”, das bei bestimmten durchstimmbaren Quellen störend sein kann. Wegen Nebenmaxima (sog. side lobes) der Kohärenzfunktion können teilkohärente Wechselwirkungen zwischen der Referenzstrahlung und eigentlich inkohärenten Teilen der Messstrahlung oder reflektierter Beleuchtungsstrahlung auftreten. Dies lässt sich im Stand der Technik nur durch eine sehr aufwendige Konstruktion des optischen Aufbaus zum Unterdrücken optischer Reflexe im Messstrahlengang vermeiden. Man muss dafür Sorge tragen, dass Reflexe, die in das Fenster der Nebenmaxima der durchgestimmten Strahlungsquelle fallen könnten, nicht auftreten.A third noise source is the so-called coherence revival, which can be annoying with certain tunable sources. Due to secondary maxima (so-called side lobes) of the coherence function, partially coherent interactions between the reference radiation and actually incoherent parts of the measuring radiation or reflected illumination radiation can occur. This can be avoided in the prior art only by a very complex construction of the optical structure for suppressing optical reflections in the measurement beam path. Care must be taken to ensure that reflections that could fall into the window of the secondary maxima of the tuned radiation source do not occur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Kohärenztomographen, insbesondere zur Messung an der Retina des menschlichen Auges, anzugeben, bei dem das Rauschverhalten verbessert ist.The object of the invention is to disclose an optical coherence tomograph, in particular for measuring at the retina of the human eye, in which the noise behavior is improved.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 9 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8 und 10 bis 16.The invention is defined in
Erfindungsgemäß wird die Pupille des Auges nicht gleichmäßig ausgeleuchtet, sondern es findet eine gewisse Art der Pupillentrennung statt. In der Pupille werden zwei Bereiche vorgesehen. Ein erster Pupillenbereich dient der Beleuchtung, und ein zweiter Pupillenbereich dem Aufsammeln der Messstrahlung. Die Pupillenbereiche überdecken sich nicht und sind voneinander durch einen Neutralbereich in der Pupille getrennt, der weder für die Beleuchtung, noch für das Aufsammeln der Messstrahlung, also das Abbilden des Objektes im Auge, beispielsweise der Retina, verwendet wird.According to the pupil of the eye is not uniformly illuminated, but there is a certain type of pupil separation instead. In the pupil, two areas are provided. A first pupil area is used for illumination, and a second pupil area for collecting the measuring radiation. The pupil areas do not overlap and are separated from each other by a neutral area in the pupil, which is used neither for the illumination, nor for the collection of the measuring radiation, ie the imaging of the object in the eye, for example the retina.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Pupillenbereiche umgibt der für die Abbildung vorgesehene zweite Pupillenbereich den Neutralbereich, welcher wiederum den ersten Pupillenbereich der Beleuchtung umgibt. Dadurch wird die Beleuchtung durch innere Bereiche der Pupille und die Messstrahlung durch äußere Bereiche der Pupille geführt. Dies verbessert die Abbildungsgüte und (z. B. bei einem scannenden holographischen OCT-System) die laterale Auflösung und erreicht zugleich eine Beleuchtung über einen großen Tiefenbereich.In a preferred embodiment of these pupil regions, the second pupil region provided for imaging surrounds the neutral region, which in turn surrounds the first pupil region of the illumination. As a result, the illumination is guided through inner regions of the pupil and the measuring radiation through outer regions of the pupil. This improves the imaging quality and (for example in the case of a scanning holographic OCT system) the lateral resolution and at the same time achieves illumination over a large depth range.
Der Neutralbereich, welcher den ersten Pupillenbereich vom zweiten Pupillenbereich trennt, erlaubt es wirksam Rauscheffekte zu unterdrücken, insbesondere den genannten „beat noise” und das „coherence revival”. Der Neutralbereich führt automatisch dazu, dass auch in einem gewissen Abstand zur Pupille die Beleuchtungsstrahlung, welche durch den ersten Pupillenbereich läuft, nicht mit Messstrahlung überlappt, welche aus dem zweiten Pupillenbereich aufgesammelt wird. Ohne den Neutralbereich wäre ein solcher Überlapp bei jedem beliebig kleinem Abstand zur Ebene, in welcher die Pupille liegt, vorhanden. Der Neutralbereich gewährleistet damit einen axialen Abschnitt, in dem Beleuchtungsstrahlung und Messstrahlung lateral gesehen noch nicht überlappen. In diesen axialen Abschnitt können bevorzugt optische Elemente angeordnet werden, die den Strahlengang führen. Aufgrund des mangelnden Überlapps zwischen Beleuchtungsstrahlung und Messstrahlung in diesen axialen Abschnitten ist es so gut wie ausgeschlossen, dass Beleuchtungsstrahlung irrtümlich durch Reflexionen in die Messstrahlung gelangt. Der axiale Abschnitt, in dem Beleuchtungsstrahlung und Messstrahlung noch nicht lateral überlappen, wird im Sinne dieser Beschreibung als ein pupillennaher Abschnitt des Strahlengangs oder ein Abschnitt nahe der Pupillenebene bezeichnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, optische Elemente, die den Strahlengang formen, insbesondere die Frontaloptik, in solchen pupillennahen axialen Abschnitten des Strahlenganges anzuordnen.The neutral region, which separates the first pupil region from the second pupil region, makes it possible to effectively suppress noise effects, in particular the said "beat noise" and the "coherence revival". The neutral region automatically leads to the fact that even at a certain distance from the pupil the illumination radiation which passes through the first pupil region does not overlap with measurement radiation which is collected from the second pupil region. Without the neutral range, such an overlap would be present at any arbitrarily small distance from the plane in which the pupil lies. The neutral region thus ensures an axial section in which illumination radiation and measuring radiation do not yet overlap laterally. In this axial section optical elements may preferably be arranged, which guide the beam path. Due to the lack of overlap between illumination radiation and measuring radiation in these axial sections, it is almost impossible for illumination radiation to erroneously pass through reflections into the measurement radiation. The axial section in which illumination radiation and measuring radiation do not yet overlap laterally is referred to as a pupil-near section of the beam path or a section near the pupil plane in the sense of this description. In a preferred embodiment, it is provided to arrange optical elements which form the beam path, in particular the frontal optics, in such pupil near axial sections of the beam path.
Das Beleuchtungsmuster der Pupille kann auf vielfältige Art und Weise erzeugt werden, beispielsweise durch entsprechende Blenden in einer oder mehreren konjugierten Pupillenebene(n), die zur Ebene der Pupille des Auges konjugiert ist/sind. Da der optische Kohärenztomograph in seinem Beleuchtungs- und Messstrahlengang Abschnitte aufweist, in denen ausschließlich Beleuchtungsstrahlung oder Messstrahlung propagiert, ist es besonders bevorzugt, in diesen Abschnitten jeweils eine konjugierte Pupillenebene zu schaffen und hier die nötige Blende zur Definition des ersten Pupillenbereichs und des zweiten Pupillenbereichs anzuordnen.The illumination pattern of the pupil can be generated in a variety of ways, for example by corresponding apertures in one or more conjugate pupil planes that are conjugate to the pupil plane of the eye. Since the optical coherence tomograph has sections in its illumination and measuring beam path in which exclusively illumination radiation or measuring radiation propagates, it is particularly preferred to create a conjugate pupil plane in each of these sections and to arrange here the necessary diaphragm for defining the first pupil region and the second pupil region ,
Es wird bevorzugt ein Flächendetektor, vorzugsweise ein zweidimensionaler Detektor, verwendet, der einen Teilbereich der Retina abtastet. Bevorzugt legt eine Blende in einem Zwischenbild der optischen Abbildung diesen Teilbereich fest, und der Flächendetektor ist auf die Größe der Blende abgestimmt. Der Strahlengang ist so gestaltet, dass die Beleuchtung mit Beleuchtungsstrahlung und das Aufsammeln der rückgestreuten Messstrahlung mit unterschiedlichen numerischen Aperturen erfolgt. Damit kann für die Beleuchtung eine numerische Apertur eingestellt werden, die einen axial großen Bereich ausleuchtet, so dass aus einem vergleichsweise großen Tiefenbereich Messstrahlung reflektiert wird und folglich mittels des OCT-Prinzips ein Bild über einen großen Tiefenbereich erhalten wird. Unabhängig davon ist die numerische Apertur des Aufsammelns der Messstrahlung, also der Abbildung eines Objektbereiches, unabhängig von der numerischen Apertur der Beleuchtung und damit beispielsweise größer, so dass eine hohe laterale Auflösung erhalten wird.An area detector, preferably a two-dimensional detector, which scans a partial area of the retina, is preferably used. Preferably, a diaphragm in an intermediate image of the optical image defines this partial region, and the surface detector is matched to the size of the diaphragm. The beam path is designed so that the illumination with illumination radiation and the collection of the backscattered measuring radiation with different numerical apertures. Thus, a numerical aperture can be set for the illumination, which illuminates an axially large area, so that measuring radiation is reflected from a comparatively large depth range and consequently an image over a large depth range is obtained by means of the OCT principle. Irrespective of this, the numerical aperture of the collection of the measuring radiation, that is to say the imaging of an object area, is independent of the numerical aperture of the illumination and thus larger, for example, so that a high lateral resolution is obtained.
Der Flächendetektor ist bevorzugt ein zweidimensionaler Detektor. Die Pixelanzahl liegt bevorzugt zwischen 4 und 100 Pixel pro Richtung, besonders bevorzugt zwischen 5 Pixel und 40 Pixel. Diese Pixelanzahl erweist sich als vorteilhaft zur Abtastung des Teilbildes sowohl hinsichtlich Auflösung als auch hinsichtlich Signal/Rausch-Verhältnis und möglichen Bildfehlerkorrekturen.The area detector is preferably a two-dimensional detector. The number of pixels is preferably between 4 and 100 pixels per direction, more preferably between 5 pixels and 40 pixels. This number of pixels proves to be advantageous for scanning the field both in terms of resolution and in terms of signal-to-noise ratio and possible aberration corrections.
Eine Bildfehlerkorrektur von besonderer Bedeutung sind die Aberrationen, die das Auge erzeugt. Da die numerische Apertur von Beleuchtung und Detektion entkoppelt sind, ist es möglich, für die Detektion, d. h. die Abbildung des Objektbereiches an der Retina mit einer sehr hohen numerischen Apertur auszuführen, die so groß ist, dass Aberrationen des Auges eine merkliche Rolle spielen. Die Ortsauflösung des Flächendetektors erlaubt, wie nachfolgend erläutert wird, eine Korrektur der Aberrationen, wenn der Flächendetektor in einer konjugierten Pupillenebene der Abbildung angeordnet ist. Liegt der Flächendetektor nicht in einer Pupillenebene, ist eine Aberrationskorrektur gleichermaßen möglich, wenn das detektierte Signal auf eine Pupillenebene umgerechnet wird, wie dies einem Fachmann für Hologramme bekannt ist.Image aberration of particular importance is the aberrations generated by the eye. Since the numerical aperture of illumination and detection are decoupled, it is possible for the detection, i. H. To perform the imaging of the retina object area with a very high numerical aperture, which is so large that aberrations of the eye play a significant role. The spatial resolution of the area detector, as explained below, allows correction of the aberrations when the area detector is arranged in a conjugate pupil plane of the image. If the area detector is not in a pupil plane, an aberration correction is equally possible if the detected signal is converted to a pupil plane, as is known to a person skilled in the art for holograms.
In der Objektebene und der Bildebenen eines Strahlengangs ist die Bildinformation reine Ortsinformation. Abgebildete Strukturen finden sich als Intensitätsunterschiede auch in Zwischenbildebenen wieder. In Pupillenebenen ist die Bildinformation reine Winkelinformation. Die Winkel der einfallenden Strahlen kodieren die Bildinformation. Dies ist die bekannte Auswirkung, dass eine Querschnittsveränderung in einer Pupille ausschließlich die Bildhelligkeit, nicht aber die Bildgröße beeinflusst. Aus diesem Grunde liegt beim menschlichen Auge die Iris in der Pupillenebene, so dass durch Einengung oder Aufweitung der Iris das menschliche Auge sich hinsichtlich der Helligkeit anpasst. Soweit in dieser Beschreibung von der Ebene der Pupille des Auges die Rede ist, ist die Irisebene gemeint. Ein Abbildungsstrahlengang bildet ein Objekt aus der Objektebene auf ein Bild in der Bildebene (z. B. den Ort eines Detektors) ab. Zwischen beispielsweise der Objektebene und einer Zwischenbildebene, findet sich aufgrund der Abbildungsgesetze immer eine Pupille. Genauso liegt zwischen zwei Pupillenebenen immer eine Zwischenbildebene. Gleichermaßen werden in dieser Beschreibung Ebenen, die sich zwischen der Ebene der Pupille des Auges und dem Detektor befinden, als konjugierte Pupillenebenen bezeichnet, da sie vorgegeben durch die optisch abbildenden Elemente zur Ebene der Pupille des Auges konjugiert sind. Soweit hier als Objekt die Retina genannt ist, soll das die Erfindung nicht einschränken. Auch andere Strukturen des Auges können als Objekt abgebildet werden.In the object plane and the image planes of a ray path, the image information is pure location information. Shown structures can be found as intensity differences also in intermediate image planes again. In pupil planes, the image information is pure angle information. The angles of the incident rays encode the image information. This is the known effect that a cross-sectional change in a pupil affects only the image brightness, but not the image size. For this reason, in the human eye, the iris is in the pupil plane, so that by narrowing or widening the iris, the human eye adapts itself to the brightness. As far as in this description of the level of the pupil of the eye is mentioned, the iris plane is meant. An imaging beam path images an object from the object plane onto an image in the image plane (eg the location of a detector). Between, for example, the object plane and an intermediate image plane, there is always a pupil due to the mapping laws. Likewise, there is always an intermediate image plane between two pupil planes. Similarly, in this specification, planes located between the pupil plane of the eye and the detector are referred to as conjugate pupil planes, as they are predefined by the optically imaging elements to the plane of the pupil of the eye. As far as the retina is mentioned here as object, this is not intended to limit the invention. Other structures of the eye can also be imaged as an object.
Einige Ausführungsformen der Erfindung verwenden eine konfokale Blende. Der Begriff „konfokal” bezeichnet in dieser Beschreibung nicht nur eine Blende, die exakt in einer zur Objekteben konjugierten (Zwischenbild-)Ebene liegt, sondern erfasst auch eine Anordnung der Blende, welche innerhalb eines gewissen Fehlerbereichs vor oder hinter einer Zwischenbildebene liegt. Liegt die konfokale Blende nicht exakt in der Zwischenbildebene, sondern nahe der Zwischenbildebene, so ist eine Streulichtunterdrückung zwar möglicherweise gemindert, die Funktion als konfokale Blende, welche das Objektfeld definiert, aus dem die Messstrahlung aufgesammelt wird, ist jedoch gleichermaßen erfüllt. Die Blende ist in oder nahe einer Zwischenbildebene, wenn sie um maximal das Dreifache der Abbildungstiefe von der Zwischenbildebene beabstandet ist; bevorzugt ist eine Beabstandung von maximal der einfachen Abbildungstiefe. Die Abbildungstiefe wird in der englischen Literatur als „Depth of Focus” bezeichnet und definiert einen axialen Bereich im Bildraum, d. h. an der Zwischenbildebene eines optischen Systems, in dem in jeder Auffangebene ein ausreichend scharfes Bild entsteht. Im Bereich der Abbildungstiefe werden Zerstreuungskreise als Punkt registriert. Der zur Abbildungstiefe konjugierte Bereich im Objektraum ist die Schärfentiefe (Englisch: Depth of Field). Die Schärfentiefe ist ein Maß für die Ausdehnung des scharfen Bereichs im Objektraum und ist durch die Lambda/(NAo)2 gegeben, wobei NAo die numerische Apertur im Objektraum bezeichnet. Die Abbildungstiefe an der Zwischenbildebene ergibt sich analog zur Schärfentiefe aus der numerischen Apertur durch Lambda/(NAz)2; dabei ist NAz die numerische Apertur an der Zwischenbildebene, welche sich z. B. aus NAo mittels des Abbildungsmaßstabes errechnet. Als Wellenlänge kann in obiger Betrachtung die maximale Wellenlänge der Messstrahlung an der Zwischenbildebene angesetzt werden.Some embodiments of the invention use a confocal aperture. In this description, the term "confocal" not only designates a diaphragm which lies exactly in an (intermediate image) plane conjugate to the object plane, but also detects an arrangement of the diaphragm which lies within a certain error range in front of or behind an intermediate image plane. If the confocal aperture is not exactly in the intermediate image plane, but close to the intermediate image plane, then stray light suppression may possibly be reduced, but the function as a confocal diaphragm, which defines the object field from which the measurement radiation is collected, is likewise fulfilled. The aperture is at or near an intermediate image plane when spaced by a maximum of three times the imaging depth from the intermediate image plane; a spacing of at most the simple depth of picture is preferred. Depth of field is referred to in the English literature as "depth of focus" and defines an axial region in the image space, ie at the intermediate image plane of an optical system, in which a sufficiently sharp image is formed in each capture plane. In the area of picture depth, circle of confusion is registered as point. The area in the object space conjugate to the image depth is the depth of field. The depth of field is a measure of the extent of the sharp area in the object space and is given by the lambda / (NAo) 2 , where NAo denotes the numerical aperture in the object space. The image depth at the intermediate image plane is obtained analogously to the depth of field from the numerical aperture by lambda / (NAz) 2 ; where NAz is the numerical aperture at the intermediate image plane, which is z. B. from NAo calculated by means of the magnification. In the above consideration, the maximum wavelength of the measuring radiation at the intermediate image plane can be used as the wavelength.
Die nachfolgend beschriebenen Merkmale der optischen Kohärenztomographie können für verschiedene Ausführungsformen in Alleinstellung oder in unterschiedlichen Kombinationen herangezogen werden. Soweit die nachfolgenden Ausführungsbeispiele bestimmte Kombinationen von Merkmalen schildern, ist die Erfindung nicht auf solche Kombinationen eingeschränkt.The features of the optical coherence tomography described below can be used for different embodiments alone or in different combinations. As far as the following embodiments describe certain combinations of features, the invention is not limited to such combinations.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Die Faser
Die Beleuchtungsstrahlung im Beleuchtungsfokus auf der Retina
Die rückgestreute Strahlung wird von der Frontoptik
Das Aufsammeln der Messstrahlung M ist eine Abbildung der Retina
Die Detektoroptik
Eine weitere Optik
Am Strahlteiler/-vereiniger
Die Weglängenanpasseinrichtung
Die Detektoreinrichtung
Die Interferenz zwischen Referenzstrahlung R und Messstrahlung M wird zur Erzeugung eines Bildes umgesetzt, wie es für die optische Kohärenztomographie bekannt ist. Da die Wellenlänge der Quellstrahlung durchgestimmt wird, kommt bei der Bilderzeugung das Fourier-Domain-Prinzip zur Anwendung, das aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist.The interference between reference radiation R and measurement radiation M is converted to produce an image, as is known for optical coherence tomography. Since the wavelength of the source radiation is tuned, the Fourier domain principle is used in the image generation, which principle is known from the prior art.
Zum Durchführen der Bilderzeugung weist der OCT
Wesentlich für die Erfindung ist es, dass der Scanner
In der Bauweise der
Die komplexen Amplituden der Messstrahlung und der Referenzstrahlung lassen sich schreiben als: wenn man mit us und ur die Amplituden und φs und φr die Phasen der Signale in den beiden Armen bezeichnet (die Indices ”sample” und ”s” beziehen sich auf den Messarm, die Indices ”reference” und ”r” auf den Referenzarm).The complex amplitudes of the measuring radiation and the reference radiation can be written as: if u s and u r are the amplitudes and φ s and φ r are the phases of the signals in the two arms (the indices "sample" and "s" refer to the measuring arm, the indices "reference" and "r" on the reference arm).
Die von den beiden Sensoren
Die Formeln zeigen, dass im Differenzsignal der beiden Detektoren
Auf diese Weise ist, insbesondere bei einer möglichen nachfolgenden Analog-Digital-Wandlung des Differenzsignals, der Dynamikbereich des Signals maximal zur Informationsauswertung verwendet.In this way, in particular in the case of a possible subsequent analog-to-digital conversion of the difference signal, the dynamic range of the signal is used to a maximum for information evaluation.
In einer anderen Ausgestaltung erfolgt keine balanced detection; der Signalhub des Interferenzsignals befindet sich dann auf einem Gleichtaktanteil aufmoduliert und wird durch entsprechende Datenanalyse herausgefiltert.In another embodiment, there is no balanced detection; the signal swing of the interference signal is then modulated on a common mode component and is filtered out by appropriate data analysis.
In
Der Scanner
Die Frontoptik
In einer Ausführungsform ist der Strahlteiler
Die Detektoroptik ist ebenfalls als 4f-Optik ausgebildet. Sie stellt eine weitere Zwischenbildebene
Die Blende
In bevorzugten Ausführungsformen des OCT hat der Flächendetektor eine Pixelzahl von 4 bis 100, bevorzugt 5 bis 50, besonders bevorzugt 5 bis 40 Pixel in jeder Richtung. Im Stand der Technik sind holoskopische OCT-Systeme bekannt, die Detektoren mit 100 bis 4000 Pixel pro Richtung aufweisen. Diese Pixelzahlen werden hier bewusst nicht verwendet. Die Anzahl der Pixel ist verknüpft mit der nötigen Beleuchtungshelligkeit, der Messgeschwindigkeit und der Unterdrückung von Mehrfachstreuungen.In preferred embodiments of the OCT, the area detector has a pixel number of 4 to 100, preferably 5 to 50, particularly preferably 5 to 40 pixels in each direction. In the prior art holoscopic OCT systems are known which have detectors with 100 to 4000 pixels per direction. These pixel numbers are deliberately not used here. The number of pixels is linked to the necessary illumination brightness, the measuring speed and the suppression of multiple scattering.
Wie bereits vorstehend erläutert, liegt in einer Pupille des Strahlengangs die Bildinformation in Form Winkelinformationen vor, und die Intensitätsverteilung in der Pupille ist in der Regel völlig gleichförmig. Die OCT
Die geschilderte reflexmindernde Wirkung ist jedoch nicht nur auf Abschnitte y vor der Pupillenebene beschränkt, sondern ergibt sich auch für den axialen Abschnitt z innerhalb des Auges
Die axialen Abschnitte y und z befinden sich natürlich nicht nur beiderseitig der Ebene, in welcher die Pupille P des Auges
Die Länge der axialen Abschnitte z bzw. y, in denen kein Überlapp der Strahlungsbündel stattfindet, ergibt sich wie folgt: z = (d·L)/(d + x) bzw. durch y = (d·L)/x (bei einer näherungsweisen Annahme der Brechzahl aller Elemente von n = 1). Der Strich der Länge d ist natürlich nur symbolisch für den Abstand zweier Punkte in der Ebene der Pupille P zu sehen. Er ist in den beschriebenen Ausführungsformen nun dahingehend umgesetzt, dass zwischen einem ersten Pupillenbereich, durch den die Beleuchtungsstrahlung B fällt und einen zweiten Pupillenbereich, durch den die Messstrahlung M aufgesammelt wird, also die Retina
Um bei einem OCT
Die Ausführungsform der
Für eine symmetrische Ausleuchtung und Abbildung der Retina
Eine Alternative zum Verwenden eines die Pupille ausblendenden Elementes besteht bei einer Detektoreinrichtung
In einer bevorzugten Ausführungsform des OCT
Die maximal auflösbaren Phasenunterschiede hängen von der Zahl der Kanäle ab. Es zeigte sich, dass die Zahl der unterscheidbaren Phasenunterschiede in dieser Ebene sich aus der Zahl der Kanäle pro Richtung multipliziert mit Pi ergeben. Bei fünf Kanälen pro Richtung können Polynome bis
0,6·2Pi/(5 Kanäle pro Periode der Aberration) = 1,2·Pi/(5/1,5) ≤ Pi für die dritte Ordnung und
0,5·2Pi/(5 Kanäle pro Periode der Aberration) = 1,0·Pi/(5/2) ≤ Pi für die vierte Ordnung.The maximum resolvable phase differences depend on the number of channels. It was found that the number of distinguishable phase differences in this plane is given by the number of channels per direction multiplied by Pi. At five channels per direction, polynomials can go up
0.6 · 2Pi / (5 channels per period of aberration) = 1.2 · Pi / (5 / 1.5) ≤ Pi for the third order and
0.5 * 2Pi / (5 channels per period of aberration) = 1.0 * Pi / (5/2) ≤ Pi for the fourth order.
Diese Überlegungen zeigen, dass ein Flächendetektor mit mindestens fünf Kanälen pro Richtung in der Lage ist, zumindest den Astigmatismus und die Aberrationen dritter Ordnung aufzulösen. Eine höhere Anzahl an Kanälen erlaubt es, noch höhere Ordnungen der Aberration zu erfassen.These considerations indicate that an area detector with at least five channels per direction is capable of resolving at least astigmatism and third order aberrations. A higher number of channels allows even higher orders of aberration to be detected.
Obige Überlegungen betrachteten nur eine Raumrichtung. Die Aberrationen haben in der Regel ein zweidimensionales Muster.The above considerations considered only one spatial direction. The aberrations usually have a two-dimensional pattern.
Die Aberrationen bewirken für jeden Detektorkanal c eine Phase θc: Usample,c := Usample·eiθc. Sie entsteht durch eine Dicke δd und eine Brechzahl δn des durchlaufenen Materials des Auges (z. B. Kornea, Kammerwasser, Linse, Glaskörper), das sich in der Realität von einem theoretischen, aberrationslosen Auges unterscheidet:
Somit ist das detektierte Signal durch die aberrationsbedingte Phase verschoben:
Für monochromatische Strahlung von 780 nm verursacht das Auge Wellenfrontaberrationen von bis zu 0,7 μm, die zu einer Phasenverschiebung von 2·Pi führen (wenn man den Defokus außeracht lässt). Eine solche Phasenverschiebung entspricht einer Dickenabweichung zwischen Linse und Kammerwasser (dies sind die Elemente mit den größten Brechzahlunterschieden im Auge), der folgenden Wert annimmt: For monochromatic radiation of 780 nm, the eye causes wavefront aberrations of up to 0.7 μm, which result in a phase shift of 2 * Pi (leaving aside the defocus). Such a phase shift corresponds to a thickness variation between the lens and the aqueous humor (these are the elements with the largest refractive index differences in the eye), which assumes the following value:
Mit bekannten Dispersionsdaten ergibt sich:
Wird ein Wellenlängenbereich von Δλ = 50 nm durchfahren, betragen die Phasenunterschiede der zugehörigen Wellenzahlen (k0 ± Δk):
Diese Berechnungen zeigen, dass in hinreichend genauer Näherung die Phasenverschiebungen, welche durch die Aberrationen verursacht werden, innerhalb einer Wellenlängendurchstimmung linear mit der Wellenzahl k variieren. Somit kann man das detektierte Messsignal wie folgt schreiben:
Eine Fourier-Transformation für die gemessenen Wellenzahlen k zeigt die axiale Verteilung, d. h. die Verteilung in z-Richtung für das streuende Gewebe. Gegenüber einem aberrationsfreien System ist die axiale Verteilung um den Wert δn(k0)δdc für jeden Kanal c des Flächendetektors verschoben. Man kann davon ausgehen, dass in den meisten Bereichen des Gewebes die Variation des axialen Streuprofils innerhalb einer Pupillengröße von 5 mm des Auges
Jeder Kanal des Detektors hat eine bestimmte Lage zur Retina
Aufgrund der lateralen Ausdehnung des Flächendetektors
Der durch diesen Effekt verursachte Messfehler wird in einer bevorzugten Ausführungsform korrigiert, um eine besonders gute Bildaufnahme zu erhalten. Der geometrische Effekt wird bevorzugt korrigiert, indem eine Umskalierung von z nach z cos(αc) erfolgt, wobei αc der Winkel ist, den der c-te Kanal zur optischen Achse hat. Der Winkel α ist dabei auf eine virtuelle Lage des Flächendetektors
Bei der Rekonstruktion hinsichtlich der Aberration werden unterschiedliche Kanäle unabhängig rekonstruiert. Anschließend bildet man die Kreuzkorrelation in axialer Richtung, d. h. in Tiefenrichtung, um den relativen Phasenversatz zwischen den einzelnen Kanälen zu ermitteln. Eine Rekonstruktion des lateralen Bildes für jeden Kanal (ggf. unter, wie nachfolgend noch beschrieben wird, Berücksichtigung des Scanvorgangs) und dann des Phasengradienten liefert einen lateralen Versatz im Bild, das für eine gegebene Lage des Scanners erhalten wird. Dieses Bild wird nachfolgend auch als Pupillenkanalteilbild bezeichnet. Mittels einer lateralen Kreuzkorrelation des Pupillenkanalteilbildes wird in einer Ausführungsform die Aberration ermittelt und auf diese Weise die gesamte Aberrationsphasenverteilung bestimmt und numerisch korrigiert.In the aberration reconstruction, different channels are independently reconstructed. Subsequently, one forms the cross-correlation in the axial direction, d. H. in the depth direction to determine the relative phase offset between each channel. Reconstruction of the lateral image for each channel (possibly under, as will be described below, consideration of the scan) and then the phase gradient provides a lateral offset in the image obtained for a given location of the scanner. This image is also referred to below as the pupil channel sub-image. By means of a lateral cross-correlation of the pupil channel partial image, the aberration is determined in one embodiment, and in this way the entire aberration phase distribution is determined and numerically corrected.
Die Güte diese Ansätze hängt von der Probenstruktur ab. Beim menschlichen Auge ist eine gut erkennbare axiale Schichtstruktur vorhanden. Lateral dazu sind die Strukturen relativ rau, beispielsweise durch Blutgefäße oder die Papille kombiniert mit sehr feinen Strukturen, wie Fotorezeptoren, wobei kaum Strukturen bezüglich Größe und Rauheit dazwischenliegen. Es ist deshalb in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zuerst eine Tiefenkorrelationskorrektur ausgeführt wird, indem die axiale Schichtstruktur verwendet wird, um den größten Anteil der Pupillenphasenaberrationen zu korrigieren. Optional schließt sich eine laterale Korrelationskorrektur an, die laterale Strukturen ausnutzt, beispielsweise wie Fotorezeptoren, die aufgrund der ersten Korrektur sichtbar wurden.The quality of these approaches depends on the sample structure. The human eye has an easily recognizable axial layer structure. Laterally, the structures are relatively rough, for example, by blood vessels or the optic disc combined with very fine structures, such as photoreceptors, with hardly any structures in terms of size and roughness between them. It is therefore provided in a preferred embodiment that a depth correlation correction is first performed by using the axial layer structure to correct for the largest proportion of the pupil phase aberrations. Optionally, a lateral correlation correction follows, exploiting lateral structures, such as photoreceptors, which became visible as a result of the first correction.
Die Aberrationen des Auges sind an verschiedenen Stellen der Retina unterschiedlich. Grundsätzlich ist es möglich, die aberrationsverursachten Phasenänderungen in jedem Kanal für alle Stellen in einem lateralen Bild zu berechnen. In einer vereinfachten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Aberrationen lateral nicht sehr stark variieren, und man berechnet die Aberrationen nur für wenige laterale Orte der Retina und interpoliert für dazwischenliegende Orte.The aberrations of the eye are different at different parts of the retina. In principle, it is possible to calculate the aberration-caused phase changes in each channel for all locations in a lateral image. In a simplified embodiment, it is assumed that the aberrations do not vary very much laterally, and the aberrations are calculated for only a few lateral locations of the retina and interpolated for intermediate locations.
Wird ein vergleichsweise großer Wellenlängenbereich durchfahren, ist es bevorzugt, die Dispersion der Aberrationen zu berücksichtigen. In dieser Ausführungsform geht man nicht davon aus, dass die Phasenverschiebungen sich linear mit der Wellenzahl k verändern. Es wird deshalb ein Peak in den Profilen, der im OCT-Bild von der Retina
In einer Stellung des Scanners
Zum Abscannen kann man das Zentrum
Der optische Aufbau der
In einer weiteren Ausführungsform des OCT erfolgt am Strahlteiler
Die Beleuchtungsstrahlung B ist nach dem Polarisationsteiler
Diese Maßnahme erhöht damit das Signal/Rausch-Verhältnis, da nur noch diejenigen Teile des Messlichtes durch den Strahlteiler
In einer weiteren Ausführungsform des OCT wird davon Gebrauch gemacht, dass die Beleuchtungsoptik
Zur Bildrekonstruktion aus den Detektorsignalen muss man gemäß dem FD-OCT-Prinzip die aktuelle Wellenlänge kennen. Diese Wellenlänge bzw. die entsprechende Wellenzahl k kann aus der Ansteuerung der Lichtquelle
Senkrecht zur Abtastrichtung können Detektorkanäle zusammengefasst werden, um Speckle zu reduzieren. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn man ausschließlich z-Schnitte durch die Retina wünscht.Perpendicular to the scan direction, detector channels can be grouped together to reduce speckle. This is particularly advantageous if one wishes only z-sections through the retina.
Für ein grobaufgelöstes Bild, z. B. als Voransicht, ist es möglich, alle oder mehrere Detektorkanäle zusammenzufassen. Dies erfolgt nach den Korrekturen (z. B. Aberration, z-Lage, Gesamtbilderzeugung). Man erhält dann eine Auflösung wie in bekannten OCT-Systemen jedoch mit einem höheren Signal/Rauschverhältnis und verbessertem Speckle-Verhalten, eben weil das Zusammenfassen nach einer oder mehreren der Korrekturen erfolgt und damit über ein normales Pixelbinning hinausgeht.For a coarsely resolved image, z. B. as a preview, it is possible to combine all or more detector channels. This is done after the corrections (eg aberration, z-position, overall image generation). However, one obtains a resolution as in known OCT systems, however, with a higher signal-to-noise ratio and improved speckle behavior, precisely because combining takes place after one or more of the corrections and thus exceeds normal pixel binning.
Verwendet man einen Detektor, der nur in einer Richtung ortsauflösend ist, kann man Aberrationen auch nur in dieser Richtung korrigieren. Für bestimmte Anwendungen mag dies ausreichen.If one uses a detector which is only spatially resolving in one direction, aberrations can only be corrected in this direction. This may be sufficient for certain applications.
Soweit vorstehend Verfahrensschritte und/oder Signalkorrekturen geschildert wurden, werden diese im OCT
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2014/0028974 A1 [0005, 0005] US 2014/0028974 A1 [0005, 0005]
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