DE112005001980T5

DE112005001980T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Gestaltmessung, sowie Frequenzkammlichtgenerator

Info

Publication number: DE112005001980T5
Application number: DE112005001980T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kurokawa; Yousuke Tanaka; Tatsutoshi Shiota
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; University of Tokyo NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; University of Tokyo NUC
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-07-12
Also published as: US7440112B2; JPWO2006019181A1; WO2006019181A1; JP4543180B2; US20080018906A1

Abstract

Verfahren zum Messen einer Gestalt, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
Erzeugen von Frequenzkammlicht durch Eingeben eines Laserlichts von einer Laserlichtquelle in eine optische Faser, welche eine Veränderung im Polarisationszustand kompensiert und die Polarisation beibehält, und einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel aufweist, die durch einen Resonanzabstand voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das Laserlicht von der Seite des ersten Spiegels eingekoppelt wird, und Modulieren des Laserlichts, welches zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel übertragen wird, unter Verwendung einer Modulationselektrode; und
Eingeben des Frequenzkammlichts in ein optisches Interferometer zur Abstandsmessung und Messen einer Gestalt des Messobjekts mit dem optischen Interferometer; und
Regeln einer Beobachtungstiefe durch Variieren des auf die Modulationselektrode aufgebrachten Modulationssignals, so dass ein Frequenzabstand von Frequenzkämmen, welcher das Frequenzkammlicht bildet.

Description

Technischer Bereich
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gestaltmessung, welches/welche dazu geeignet ist, einen tief gelegenen Ort unter einer Haut mit hoher Raumauflösung unter Verwendung eines Frequenzkammlichtgenerators zu messen. Diese Erfindung betrifft auch einen Frequenzkammlichtgenerator zur Erzeugung mehrfacher Frequenzkämme mit variablem Frequenzabstand bei hoher Betriebsstabilität.
Stand der Technik
Die optische Kohärenztomografie (OCT) ist bekannt zur Erlangung eines Tomogramms der Struktur unter der Haut, indem Licht durch eine lebende Körperhaut eingestrahlt und das von einer internen Anatomie bzw. dem Gewebeinneren reflektierte Licht ermittelt wird (siehe offengelegte japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-191114).
11(A) zeigt ein optisches Kohärenztomografiesystem nach dem Stand der Technik. In 11(A) weist ein optisches Kohärenztomografiesystem 8 Folgendes auf eine Lichtquelle 81 mit niedriger Kohärenz; eine Kondensorlinse 82; einen Halbspiegel 83; einen Referenzspiegel 84; ein Stellglied bzw. einen Aktuator 15 zum Bewegen des Referenzspiegels 84; eine Objektlinse 86; eine Detektionslinse 87; einen Lichtdetektor 88; und einen Steuercomputer 89.
Die Elemente des optischen Kohärenztomografiesystems 8, mit Ausnahme der Lichtquelle 81 mit niedriger Kohärenz und des Steuercomputers 89, bilden ein optisches Interferometer. Eine Lichtquelle mit einer großen Spektrumbreite, wie zum Beispiel LED, SLD (Superlumineszenzdiode), oder dergl., wird als Lichtquelle 81 mit niedriger Kohärenz benutzt und weist ein breites Wellenlängenspektrum (zum Beispiel mehrere Dutzend nm oder breiter) wie in 11(B) gezeigt auf.
Die Lichtquelle 81 mit niedriger Kohärenz wird von einem Steuersignal A1 von dem Computer 89 gesteuert. Das Licht von der Lichtquelle 81 mit niedriger Kohärenz wird von der Kondensorlinse 82 kollimiert bzw. parallel ausgerichtet und an den Halbspiegel 83 ausgegeben. Der Halbspiegel 83 teilt das Licht von der Kondensorlinse 82 in zwei Teile auf richtet einen Teil auf den Referenzspiegel 84 und richtet den anderen Teil durch die Objektlinse 86 auf ein Messobjekt O.
Der Halbspiegel 83 kombiniert auch das reflektierte Licht von dem Referenzspiegel 84 mit dem reflektierten Licht von einem Reflexionspunkt innerhalb des Messobjekts O und gibt das kombinierte Licht durch die Detektionslinse 87 an den Lichtdetektor 88 aus.
Das von dem gemessenen Objekt O reflektierte Licht umfasst das an der Oberfläche reflektierte Licht, das an einem seicht unter der Oberfläche liegenden inneren Punkt reflektierte Licht und das von einem tief gelegenen inneren Punkt reflektierte Licht.
Da das zur Erfassung bzw. Signalaufnahme verwendete Licht ein Licht mit niedriger Kohärenz ist, umfasst das reflektierte Licht, welches eine Interferenz erfährt, nur das reflektierte Licht von der Ebene an der Position, an welcher der Abstand von dem Halbspiegel 83 (L₀ ± L₀'/2) beträgt, wobei L₀ der Abstand zwischen dem Halbspiegel 83 und der Referenz 84 ist, und L₀' die Kohärenzlänge ist.
Durch Veränderung des Abstands zwischen dem Halbspiegel 83 und der Referenz 84 durch den Aktuator 85 (gesteuert durch ein Steuersignal A2 von dem Computer 89) ist es möglich, nur das reflektierte Licht von der Reflexionsebene abzutasten bzw. zu erfassen, welche diesem Abstand entspricht.
Durch diese Technik ist es möglich, den Reflexionsindex an jeder Position innerhalb des gemessenen Objekts O durch den Computer 89 zu berechnen und die visuellen inneren Strukturdaten für das gemessene Objekt bereitzustellen, indem die Verteilung des berechneten Reflexionsindexes auf einem Anzeigeschirm (nicht dargestellt) angezeigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Ausgangsgröße der Lichtquelle 81 mit niedriger Kohärenz in 11(A) besitzt eine große Spektrumbreite wie oben erwähnt (siehe 11(B)). Obwohl die Raumauflösung in der Tiefenrichtung in der optischen Kohärenztomografie 8 hoch ist, kann ein tiefer Abschnitt innerhalb des gemessenen Objekts O nicht beobachtet werden, da die Lichtintensität gering ist und der Ausgangslevel auf Grund der geringen Effizienz niedrig ist. Weiterhin ist die Beobachtung durch dieses System zeitraubend und die Verlässlichkeit ist nicht notwendigerweise hoch, da der Referenzspiegel beweglich bzw. verstellbar ist.
Es wurde untersucht, die Raumauflösung durch Verwendung eines Femtosekundenlasers mit einer großen Spektrumbreite als Lichtquelle eines optischen Kohärenztomografiesystems zu verbessern. Diese Art von optischem Kohärenztomografiesystem wird jedoch groß und teuer, und deshalb ist es für einen Gebrauch in Kliniken nicht geeignet.
Eine Technik zur Synthese eines hypothetischen Frequenzkammlichts als zeitliches Mittel wie ein Verfahren zur Kohärenzfunktionssynthese ist bekannt. Die Anwendung dieser Technik ist jedoch auf eine Entfernungsmessung wie eine Faserdetektion beschränkt, da der Frequenzabstand nicht verkürzt werden kann und die Anzahl von erzeugten Kämmen begrenzt ist (siehe offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 10-148596), und deshalb ist diese Technik nicht geeignet zur Gestaltmessung wie Beobachtung der Anatomie bzw. des Gewebes unter einer lebenden Körperhaut.
Ein in 12(A) illustrierter Frequenzkammlichtgenerator 9 des Stands der Technik weist eine Laserlichtquelle 91 und einen optischen Resonator 92 auf. Der optische Resonator 92 besitzt einen optischen Modulator 922, der auf einem LN-(LiNbO₃-)Substrat 921 gebildet ist, und Spiegel M01, M02. Das Ausgangssignal (Winkelfrequenz ω₀) einer Laserlichtquelle 91 wird von einem Modulationssignal RFO in dem optischen Resonator 92 moduliert und frequenzverschoben, und dann von den Spiegeln M01, M02 wiederholt reflektiert und wiederholt moduliert. Der optische Resonator 92 gibt das in der Zeichnung dargestellte Laserlicht (moduliertes Licht ML) aus.
Dieses modulierte Licht ML ist in 12(A) als eine Frequenzkomponente FE dargestellt und weist mehrere diskrete Frequenzkomponenten wie in 12(B) gezeigt auf. Wie in diesen Zeichnungen dargestellt ist, befindet sich das Zentrum der Winkelfrequenzen bei ω₀ und die Verteilung der Winkelfrequenzen weist ein höheres Frequenzseitenband und ein niedrigeres Frequenzseitenband auf.
Es war jedoch schwierig, den Frequenzabstand des Frequenzkamms variabel zu gestalten, da der Frequenzabstand des Frequenzkamms durch den Abstand zwischen den Spiegeln M01 und M02 in dem Frequenzkammlichtgenerator 9 festgelegt ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung z.B. für ein optisches Kohärenztomografiesystem zur Beobachtung der Anatomie bzw. des Gewebes unter einer lebenden Körperhaut mit einer hohen Raumtiefenauflösung bis zu einer tiefen Position bereitzustellen, indem ein Frequenzkammlichtgenerator, welcher zur Änderung des Frequenzabstands des Frequenzkamms geeignet ist, als eine optische Quelle benutzt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Frequenzkammlichtgenerator bereitzustellen, welcher zu einem Betrieb mit hoher Stabilität, variablem Frequenzabstand von Frequenzkämmen und zur Erzeugung von mehrfachen Frequenzkämmen unter Verwendung einer einfachen Konfiguration geeignet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erste Ausführung eines Frequenzkammlichtgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung;
2(A) zeigt ein erstes Beispiel eines optischen Modulators in dem in 1 dargestellten Frequenzkammlichtgenerator;
2(B) zeigt eine perspektivische Ansicht des in 2(A) gezeigten optischen Modulators;
2(C) zeigt ein Spektrum des Ausgangslichts von dem in 2(A) und 2(B) dargestellten optischen Modulator;
3(A) zeigt ein zweites Beispiel eines optischen Modulators in dem in 1 dargestellten Frequenzkammlichtgenerator;
3(B) zeigt ein Spektrum des Ausgangslichts von dem in 3(A) dargestellten optischen Modulator;
4 zeigt ein Beispiel des in 1 dargestellten Frequenzkammlichtgenerators mit einem Verstärker für eine optische Faser;
5 zeigt eine zweite Ausführung eines Frequenzkammlichtgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung;
6(A) zeigt eine Basiskonfiguration eines optischen Kohärenztomografiesystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
6(B) zeigt ein Spektrum des Ausgangslichts von dem in 6(A) dargestellten Frequenzkammlichtgenerator;
7 zeigt ein detailliertes Spektrum des Ausgangslichts von der Lichtquelle zur Erläuterung des Betriebs des in 6(A) dargestellten Frequenzkammlichtgenerators;
8 zeigt eine erste Ausführung eines optischen Kohärenztomografiesystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt eine zweite Ausführung eines optischen Kohärenztomografiesystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt einen Einzelschleifen-Frequenzkammlichtgenerator, welcher als der Frequenzkammlichtgenerator in dem in 6 und 9 dargestellten Kohärenztomografiesystems benutzt werden kann;
11(A) zeigt ein optisches Kohärenztomografiesystem nach dem Stand der Technik;
11(B) zeigt das Frequenzspektrum einer Lichtquelle mit niedriger Kohärenz;
12(A) zeigt einen Frequenzkammlichtgenerator nach dem Stand der Technik; und
12(B) zeigt das Frequenzspektrum des Frequenzkammlichtgenerators nach dem Stand der Technik.
Beste Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine erste Ausführung eines Frequenzkammlichtgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 weist der Frequenzkammlichtgenerator 1 eine Laserlichtquelle 11, einen Zirkulator 12, einen optischen Resonator 13 und einen Kammabstandsregler 14 auf.
In dieser Ausführung kann die Laserlichtquelle 11 ein Laserlicht (Mittenwinkelfrequenz ω₀) in einem Wellenlängenband (zum Beispiel 1,2...1,6 μm) ausgeben, in welchem die Eindringwirksamkeit in einen lebenden Körper hoch ist.
In 1 wird ein Modulationssignal LM in die Laserlichtquelle 11 eingegeben, und die Ausgabe der Laserlichtquelle 11 kann eine vorher festgelegte Weite (zum Beispiel eine Weite von mehreren Hundert MHz bis zu einigen GHz) bei einer Mittenfrequenz ω₀ aufweisen.
Der Zirkulator 12 ist zwischen der Laserlichtquelle 11 und dem optischen Resonator 13 angeordnet, und die Laserlichtquelle 11 ist mit einem ersten Port P11 durch eine optische Faser F11 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden, und der optische Resonator 13 ist mit einem zweiten Port P12 durch eine optische Faser F12 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden. Das in den ersten Port P11 eingegebene Licht wird von dem zweiten Port P12 ausgegeben, und das eingegebene Licht in den zweiten Port P12 wird von einem dritten Port P13 ausgegeben. Der dritte Port P13 ist ein Ausgabeport für das Frequenzkammlicht OFC, welches später erläutert wird.
Der optische Resonator 13 erzeugt das Frequenzkammlicht OFC, welches auf dem Laserlicht (Mittenfrequenz ω₀) basiert, das von der Laserlichtquelle 11 ausgegeben wird. Der optische Resonator 13 weist einen optischen Modulator 131, einen ersten Spiegel M11 und einen zweiten Spiegel M12 auf.
Der Kammabstandsregler 14 ist ein Modulationssignalgenerator zur Veränderung eines Modulationssignals, welches der Modulationselektrode des optischen Resonators 13 zugeführt wird, und der Winkelfrequenzabstand Ω kann durch Variation der Modulationsfrequenz variiert oder durchlaufen bzw. gewählt werden.
Der erste Spiegel M11 ist an der Seite des optischen Resonators 131 angeordnet, an welcher der Zirkulator 12 platziert ist, und der zweite Spiegel M12 ist mit der anderen Seite des optischen Modulators 131 durch eine optische Faser F13 (Einzelmoden-(SM-)Faser) mit vorher festgelegter Länge (Abstand L zwischen dem Spiegel M12 und dem Spiegel M11) verbunden.
In dieser Ausführung ist der zweite Spiegel M12 ein Faraday'scher Rotationsspiegel. Die Einzelmodenfaser bewirkt eine Änderung in dem Polarisierungszustand des übertragenen Lichts. Am Eingang und am Ausgang wird die Polarisationsebene von dem Faraday'schen Rotationsspiegel (zweiter Spiegel M12), welcher an dem Ende der optischen Faser F13 angeordnet ist, jeweils um 45°, das heißt schließlich um 90° relativ zu dem ursprünglichen Licht, gedreht. Als Ergebnis wird die in der optischen Faser F13 verursachte Änderung in dem Polarisationszustand präzise kompensiert.
Die Länge der optischen Faser F13 ist so festgelegt, dass der Abstand L zwischen dem ersten Spiegel M11 und dem zweiten Spiegel M12 ein ganzzahliges Vielfaches (m) von einer Hälfte der Wellenlänge (λ/2) ist. L ist durch die folgende Gleichung gegeben, wobei „n" der Brechungsindex der optischen Faser F13 und „c" die Lichtgeschwindigkeit ist. L = m × (λ/2) × (1/n) = (m/n) × (c π/Ω0)
Das erste Beispiel des optischen Modulators 131 wird mit Bezugnahme auf die Draufsicht in 2(A) und die perspektivische Ansicht in 2(B) erläutert. In 2(A) und (B) weist der optische Modulator 131 ein LN-(LiNbO₃-)Substrat 1311, einen auf dem Substrat 1311 gebildeten Lichtwellenleiter 1312 und Modulationselektroden 1313 auf. 2(A) zeigt den Spiegel M11 und den Spiegel M12, und 2(B) zeigt eine Modulationstreiberschaltung, die aus einem Oszillator OC und einem Abschlusswiderstand R besteht. In 2(A) und (B) wird ein Laserlicht (dargestellt durch „exp(i ω₀ t)") in den optischen Modulator 131 eingegeben, und das Modulationssignal RF wird den Modulationselektroden 1313 von dem Oszillator OC zugeführt. Das Modulationssignal RF wird durch den folgenden Ausdruck dargestellt: ϕ1sin Ωt + ϕ2sin (2Ωt + θ)
Das modulierte Laserlicht e(t) ist durch Gleichung (1) gegeben. Die Treiberschaltung für den optischen Modulator 131 gehört zu den wohlbekannten Techniken und wird nicht erläutert.
J_m (ϕ) ist eine Besselfunktion mit Ordnung m.
Gleichung 3 stellt dar, dass die Mittenwinkelfrequenz des Frequenzkamms ω₀ ist, und die Freuquenzkämme von der niedrigeren Seite zu der höheren Seite der Mittenwinkelfrequenz verteilt sind. θ kann reguliert werden, indem ein Phasenschieber (nicht gezeigt) benutzt wird, um eine flache und weite Eigenschaft der Frequenzkämme zu erhalten.
2(C) stellt die Spektrumansicht der Gleichung (3) dar. 2(C) zeigt, dass N Frequenzkämme mit dem Frequenzkamm-Winkelfrequenzabstand (hiernach „Kammabstand") Ω in einem Band von (N-1)Ω verteilt sind, wobei „N" eine ungerade Zahl ist. Die Intensität einer jeden Frequenzkomponente ist zur Einfachheit der Erläuterung gleichförmig dargestellt. In der Realität ist die Intensität der Frequenzkomponenten unterschiedlich, jedoch beeinflusst dies die Abtastung bzw. die Erfassung durch das optische Kohärenztomografiesystem nicht viel.
3(A) zeigt ein zweites Beispiel des optischen Modulators 131. Der optische Modulator 131 in 3(A) ist ein optischer Wellenleitermodulator vom Typ Mach-Zehnder, und ein Lichtwellenleiter 1312 und Modulationselektroden 1313 sind auf dem LN-Substrat 1311 gebildet. Der Lichtwellenleiter 1312 ist auf dem LN-Substrat 1311 in zwei Lichtpfade aufgeteilt, und die Modulationselektroden 1313 bestehen aus einer Elektrode EP1, die auf einem der Lichtpfade (Arme) gebildet ist, und aus Elektroden EP2 und EP3, die auf dem anderen Lichtpfad (Arm) gebildet sind.
In 3(A) wird das Laserlicht (exp(i ω₀ t) in den optischen Modulator 131 eingegeben, ein Modulationssignal RF1 wird der Elektrode EP1 zugeführt, und ein Modulationssignal RF2 wird der Elektrode EP2 zugeleitet. RF1 = ϕ1sin Ωt + ϕ2sin (2Ωt + θ) RF2 = ϕ1sin Ωt – ϕ2sin (2Ωt + θ)
Der Elektrode EP3 wird eine Vorspannung DC zugeführt. Als Vorspannung DC wird eine derartiges Gleichstromsignal aufgeprägt, dass die Phasendifferenz zwischen dem auf den zwei optischen Pfaden übertragenem Licht auf 0 oder π eingestellt ist.
Wenn die Signale jeweils den Elektroden EP1, EP2 und EP3 zugeführt sind und als Vorspannung DC ein Gleichstromsignal aufgeprägt ist zur Einstellung der Phasendifferenz zwischen dem auf den zwei optischen Pfaden übertragenem Licht auf 0 oder π, ist das modulierte Laserlicht e(t) durch Gleichung (4) unter Verwendung einer Besselfunktion gegeben.
Diese Gleichung wird modifiziert zu Gleichung (5).
wobei gilt: s = 2p + q,
Der Term in Gleichung (5) wird zu Null, wenn „s" eine gerade Zahl ist. Das bedeutet, dass Gleichung (5) die Frequenzkämme darstellt, welche nur aus den Termen mit ungerader Ordnung bestehen. Die Frequenzkämme sind sowohl auf der Seite mit hoher Frequenz als auch auf der Seite mit niedriger Frequenz der Mittenwinkelfrequenz ω₀ mit dem Kammabstand 2Ω wie in 3(B) gezeigt verteilt. 3(B) zeigt, dass N Frequenzkämme in dem Band von 2 (N-1)Ω mit dem Kammabstand 2Ω verteilt sind, wobei „N" eine ungerade Zahl ist. Die Intensität einer jeden Frequenzkomponente ist zur einfacheren Darstellung gleichförmig dargestellt. Wie mit Bezug auf 2(C) beschrieben ist, wird die Detektion durch das optische Kohärenztomografiesystem nicht sehr beeinflusst, wenn die Intensitäten der Frequenzkomponenten unterschiedlich sind.
Wie in 3(B) und 2(C) gezeigt ist, sind der Kammabstand und das Band des optischen Modulators 131 in 3(A) doppelt so groß wie diejenigen des optischen Modulators 131 in 2(A).
Wenn sich die Lichtintensität zwischen dem ersten Spiegel M11 und dem zweiten Spiegel M12 in dem in 1 dargestellten Frequenzkammlichtgenerator 1 abschwächt, kann zwischen dem ersten Spiegel M11 und dem zweiten Spiegel M12 auf der optischen Faser F13 wie in 4 gezeigt ein Verstärker 132 für eine optische Faser eingefügt werden.
5 illustriert eine zweite Ausführung des Frequenzkammlichtgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung. In 5 weist der Frequenzkammlichtgenerator 2 Folgendes auf: eine Laserlichtquelle 21; einen Isolator 22; einen optischen Resonator 23; und einen Kammabstandsregler 24.
Die Laserlichtquelle 21 kann das Laserlicht (Mittenwinkelfrequenz ω₀) in einem Wellenlängenband ausgeben, in welchem der Eindringungseffekt in einen lebenden Körper so hoch ist wie bei der Laserlichtquelle 21 in der ersten Ausführung.
Der Isolator 22 ist zwischen der Laserlichtquelle 21 und dem optischen Resonator 23 angeordnet, und die Laserlichtquelle 21 ist mit einem ersten Port P21 durch eine optische Faser F21 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden, und der optische Resonator 23 ist mit einem zweiten Port P22 durch eine optische Faser F22 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden.
Der optische Resonator 23 erzeugt das Frequenzkammlicht OFC, das auf dem Laserlicht (Mittenfrequenz ω₀) basiert, welches von der Laserlichtquelle 21 ausgegeben wird. Der optische Resonator 23 weist einen optischen Modulator 231, einen ersten Spiegel M21, einen zweiten Spiegel M22 und einen Verstärker 232 für eine optische Faser auf.
Der Kammabstandsregler 14 ist ein Modulationssignalgenerator zur Variation eines Modulationssignals, das der Modulationselektrode des optischen Resonators 23 zugeführt wird, und der Winkelfrequenzabstand Ω kann variiert oder durchlaufen werden, indem die Modulationsfrequenz verändert wird.
Der erste Spiegel M21 ist auf der Seite des optischen Modulators 231 angeordnet, wo sich der Isolator 22 befindet, und der zweite Spiegel M22 ist mit der anderen Seite des optischen Modulators 231 durch eine optische Faser F23 (eine polarisationserhaltende Faser) der Länge L verbunden.
In dieser Ausführung ist der Verstärker 232 für eine optische Faser ein Verstärker für eine polarisationserhaltende Faser. Der zweite Spiegel M22 ist ein Ausgabeport des Frequenzkammlichts OFC.
Die Länge der optischen Faser F23 ist so eingestellt, dass der Abstand L zwischen dem ersten Spiegel M21 und dem zweiten Spiegel M22 ein ganzzahliges Vielfaches (m) einer Hälfte der Wellenlänge (λ/2) wird. L ist durch die folgende Gleichung gegeben, wobei „n" der Brechungsindex der optischen Faser F23 und „c" die Lichtgeschwindigkeit ist. L = m × (λ/2) × (1/n) = (m/n) × (c π/Ω0)
Der optische Modulator 231 kann eine solche Konfiguration besitzen, welche ähnlich zu der des in 2(A) und 3(A) gezeigten optischen Modulators 131 ist.
Ein optisches Kohärenztomografiesystem als die Basiskonfiguration der Gestaltmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 6(A), (B) und 7 erläutert. In 6(A) weist das optische Kohärenztomografiesystem 4 einen Frequenzkammlichtgenerator 41, einen optischen Splitter 42, einen feststehenden Referenzspiegel 43 und eine Fotodiode 44, welche als ein optischer Detektor arbeitet, auf und bildet ein optisches Interferometer.
Der Frequenzkammlichtgenerator 1, der in 1 und 4 gezeigt ist, und der in 5 dargestellte Frequenzkammlichtgenerator 2 können als der Frequenzkammlichtgenerator 41 verwendet werden. Der Frequenzkammlichtgenerator 41 wird durch ein Steuersignal C von einem Computer 45 gesteuert.
Obwohl der Referenzspiegel in dem herkömmlichen optischen Interferometer (siehe der Referenzspiegel 84 in 11) beweglich ist, ist der Referenzspiegel in der vorliegenden Erfindung feststehend (feststehender Referenzspiegel 43 in 6).
Der optische Splitter 42 (dargestellt als ein Halbspiegel in 6(A)), splittet das Ausgangslicht des Frequenzkammlichtgenerators 41 (Frequenzkammlicht OFC) in zwei Teile auf, gibt einen Teil zu dem feststehenden Referenzspiegel 43 aus und gibt den anderen Teil in Richtung auf das Messobjekt O aus.
Der optische Splitter 42 mischt bzw. kombiniert das von dem gemessenen Objekt O reflektierte Licht RB1 und das von dem feststehenden Referenzspiegel 43 reflektierte Licht RB2 und gibt es zu der Fotodiode 44 aus. Der Frequenzkammlichtgenerator 41 variiert den Kammabstand und regelt die Beobachtungstiefe des gemessenen Objektes O, indem das zugeführte Modulationssignal (siehe RF in 2(A), (B), RF1, RF2 in 3(A)) verändert wird.
Der Betrieb des optischen Kohärenztomografiesystems 4 wird hiernach ausführlich beschrieben. Wie in dem Spektrum in 6(B) gezeigt ist, weist das Frequenzkammlicht OFC N Frequenzkämme auf, welche in dem Band (N-1)Ω mit dem Kammabstand Ω verteilt sind, wobei „N" eine ungerade Zahl ist. Die Mittenwinkelfrequenz ist ω₀, (N-1)/2 Frequenzkämme sind jeweils auf der Seite mit höherer Frequenz und der Seite mit niedrigerer Frequenz angeordnet. Diese Verteilung ist ähnlich zu derjenigen, welche in 2(C) dargestellt ist.
In dem Spektrum, das in 6(B) gezeigt ist, ist die Intensität einer jeden Frequenzkomponente aus Gründen einfacher Erläuterung gleichförmig dargestellt. In der Realität ist die Intensität der Frequenzkomponenten unterschiedlich, jedoch beeinflusst dies die Erfassung durch die Fotodiode 44 nicht viel.
Das elektrische Feld e(t) des Frequenzkammlichtgenerators 41 wird durch die Gleichung (6) dargestellt.
Es sei τ₁ die Zeit, während der das Ausgabelicht des Frequenzkammlichtgenerators 41 (Frequenzkammlicht OFC) durch den optischen Splitter 42 läuft und an dem gemessenen Objekt O, dann an dem optischen Splitter 42 reflektiert wird, und schließlich an der Fotodiode 44 ankommt. Der Pfad, auf welchem das Frequenzkammlicht OFC an dem gemessenen Objekt O reflektiert wird und an der Fotodiode 44 ankommt, wird als „erster Pfad pth₁" bezeichnet.
τ₂ sei die Zeit, während der das Ausgabelicht des Frequenzkammlichtgenerators 41 (Frequenzkammlicht OFC) an dem optischen Splitter 42, dann an dem feststehenden Referenzspiegel 43 reflektiert wird und dann durch den optischen Splitter 42 läuft, und an dem gemessenen Objekt O, dann an dem optischen Splitter 42 reflektiert wird, durch den optischen Splitter 42 läuft und an der Fotodiode 44 ankommt. Der Pfad, auf welchem das Frequenzkammlicht OFC an dem feststehenden Referenzspiegel 43 reflektiert wird und an der Fotodiode 44 ankommt, wird als „ein zweiter Pfad pth₂" bezeichnet.
Das Licht „e₁(t)" auf dem ersten Pfad „pth₁" unmittelbar vor der Fotodiode 44 wird durch die Gleichung (7) ausgedrückt.
Das Licht „e₂(t)" auf dem zweiten Pfad „pth₂" unmittelbar vor der Fotodiode 44 wird durch die Gleichung (8) ausgedrückt.
α in Gleichung (7) und β in Gleichung (8) sind die Anteile des Lichts des ersten Pfads und des zweiten Pfads.
Der optische Strom, welcher durch die Fotodiode 44 fließt, ist proportional zu der Lichtintensität: |e1(t) + e2(t)|2
Die Ansprechgeschwindigkeit der Fotodiode 44, die hier verwendet wird, ist langsam. Das bedeutet, dass die Fotodiode 44 nicht auf die Winkelfrequenz des Frequenzkammlichts OFC anspricht. Die Ausgabe der Fotodiode 44 ist ein Zeitdurchschnitt von |e1(t) + e2(t)|2 und ergibt sich zu 〈|e1(t) + e2(t)|2〉.
„〈〉" stellt hier einen Zeitdurchschnitt dar. Dieser Zeitdurchschnitt wird durch Gleichung (9) ausgedrückt.
Wobei gilt: τ = τ₁ – τ₂ = 2n / c(L₁ – L₂), und „n" den Brechungsindex des Lichtpfadmediums" darstellt, und „c" die Lichtgeschwindigkeit darstellt.
Die Form des zweiten Terms auf der äußerst rechten Seite der Gleichung (8)
weist eine scharfe Spitze bzw. einen scharfen Peak bei jedem ganzzahligen Vielfachen von 2π wie in 7 gezeigt auf, wobei die Variablenzahl Ωτ ist. Je größer N wird, je schärfer wird die Spitze.
L1 ist die Lichtpfadlänge von dem optischen Splitter 42 zu dem Reflexionspunkt in dem gemessenen Objekt O (der Punkt, an welchem das Frequenzkammlicht OFC innerhalb des gemessenen Objekts O reflektiert wird). L2 ist die Lichtpfadlänge von dem optischen Splitter 42 zu dem feststehenden Referenzspiegel 43.
Wenn von der Fotodiode 44 eine Peakinterferenz mit Ordnung m beobachtet wird, wird L' durch Gleichung (11) ausdrückt, wobei von der Bedingung Ωτ = Ω(2n/c)(L1 – L2) = 2 m πangenommen wird, dass gilt: L1 – L2 = L'
„m" repräsentiert eine ganze Zahl, „υ_RF" ist der Frequenzabstand (2 π υ_RF = Ω) des Frequenzkammlichts.
Der Frequenzabstand υ_RF (oder Kammabstand Ω) des Frequenzkammlichts OFC kann durch das Modulationssignal (siehe RF in 2(A), (B) und RF1, RF2 in 3(A)) variiert werden. Wenn υ_RF (oder Kammabstand Ω) graduell verändert wird, ändert sich die Interferenzpositon entsprechend.
Die Raumauflösung r korrespondiert zu der Peakschärfe und wird durch Gleichung (12) ausgedrückt.
Wenn υ_RF durch Δυ variiert wird, wird die Änderung in der Interferenzposition ΔL' ausgedrückt durch: ΔL' = L' × (Δυ/υRF)
Wenn zum Beispiel υ₀ = 200 THz (ω₀ = 2 π υ₀, die Wellenlänge des Lichts beträgt 1,3 μm), υ_RF = 10 GHz und N = 700 gilt, wird das Band des Frequenzkammlichts OFC N × υRF = 7 THz (Wellenlängenband: 53 nm).
Wenn „n" (Brechungsindex) = 1 und „m" (Ordnung der Interferenz) = 1, ist L' (= L1 – L2) = 15 mm und r (Raumauflösung) = 21 μm. Wenn υ_RF zum Beispiel in dem Bereich von 8 GHz bis 12 GHz in Schritten von 1 MHz variiert wird, wird ΔL' ungefähr 6 mm, und deshalb kann das Messobjekt O bis zur Tiefe von 6 mm mit der Auflösung von 15 μm gemessen werden.
Eine erste Ausführung einer Gestaltmessvorrichtung (ein optisches Kohärenztomografiesystem) gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 8 erläutert. Das optische Kohärenztomografiesystem 5 in 8 realisiert das optische Kohärenztomografiesystem in 6(A) durch ein räumliches Interferenzsystem und weist Folgendes auf einen Frequenzkammlichtgenerator 51; eine Kondensorlinse 52; einen Halbspiegel 53; eine Linse 54 mit variablem Brennpunkt; einen feststehenden Referenzspiegel 55; eine Detektionslinse 56; einen optischen Detektor 57; einen Bildsensor 58; und einen Computer 59. In dieser Ausführung wird der Halbspiegel 53 als ein optischer Splitter verwendet.
Der Frequenzkammlichtgenerator 51 kann den in 1 und 4 gezeigten Frequenzkammlichtgenerator 1, den in 5 gezeigten Frequenzkammlichtgenerator 2 oder den in 10 gezeigten Frequenzkammlichtgenerator 7, welcher später erläutert wird, verwenden.
Das von dem Frequenzkammlichtgenerator 51 ausgegebene Frequenzkammlicht OFC wird von der Kondensorlinse 52 parallel ausgerichtet und an den Halbspiegel 53 ausgegeben. Der Halbspiegel 53 teilt bzw. splittet das Licht von der Kondensorlinse 52 in zwei Hälften auf. Ein Teil wird in Richtung auf das Messobjekt O durch die Linse 54 mit variablem Brennpunkt ausgegeben, und der andere Teil wird zu dem feststehenden Referenzspiegel 55 ausgegeben.
Der Halbspiegel 53 mischt bzw. kombiniert das von einem Reflexionspunkt in dem Messobjekt O (ein Punkt, welcher das Frequenzkammlicht innerhalb des Messobjekts O reflektiert) reflektierte Licht RB1 und das von dem feststehenden Referenzspiegel 55 reflektierte Licht RB2 und gibt sie an den optischen Detektor 57 und den Bildsensor 58 aus. Der Frequenzkammlichtgenerator 51 wird von dem Steuersignal C1 von dem Computer 59 gesteuert, und die Linse 54 mit variablem Brennpunkt wird von dem Steuersignal C2 von dem Computer 59 gesteuert.
Der optische Detektor 57 (ähnlich zu dem optischen Kohärenztomografiesystem 4 in 6(A)) erfasst die Interferenz zwischen dem Licht auf dem Pfad (dem ersten Pfad „pth₁"), auf welchem das Ausgangslicht von dem Frequenzkammlichtgenerator 51 (Frequenzkammlicht OFC) an dem Messobjekt O reflektiert wird und an dem Bildsensor 58 ankommt, und dem Licht auf dem Pfad (dem zweiten Pfad „pth₂"), auf welchem das Ausgangslicht von dem Frequenzkammlichtgenerator 51 an dem feststehenden Referenzspiegel 55 reflektiert wird und an dem Bildsensor 58 ankommt. Der Bildsensor 58 erfasst das Licht von dem ersten Pfad „pth₁".
L1 ist die Lichtpfadlänge von dem Halbspiegel 53 zu dem Reflexionspunkt in dem Messobjekt O (der Punkt, welcher das Frequenzkammlicht OFC innerhalb des Messobjekts O reflektiert), und L2 ist die Lichtpfadlänge von dem Halbspiegel 53 zu dem feststehenden Referenzspiegel 55.
Wenn das Frequenzkammlicht OFC in den Bildsensor 58 eingegeben wird und die Lichtpfaddifferenz L' = L1 – L2 einen bestimmten Wert annimmt, das heißt ein ganzzahliges (m) Vielfaches von (π c/π Ω), wird ein sehr hoher Wert der Interferenz beobachtet.
Da diese Abstanddifferenz umgekehrt proportional zu dem Frequenzkammabstand Ω ist, kann die Interferenz durch das reflektierte Licht von einem Punkt innerhalb des Messobjekts O durch Steuerung des Kammabstands Ω durch den Computer 59 (durch Variation des Modulationssignals RF) erfasst werden. Gleichzeitig wird der Brennpunkt der Linse 54 mit variablem Brennpunkt in Synchronisation mit dem Scannen bzw. dem Durchlaufen des Kammabstands Ω gesteuert.
Da die optische Kohärenztomografie 5 gemäß dieser Ausführung keine beweglichen Teile aufweist, werden geringe Herstellungskosten und eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht. Die tomografischen Abbildungsdaten werden von dem Bildsensor 58 erfasst und auf dem Bildschirm (nicht gezeigt) des Computers 59 angezeigt.
Eine zweite Ausführung einer Gestaltmessvorrichtung (ein optisches Kohärenztomografiesystem) gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 9 erläutert. Das optische Kohärenztomografiesystem 6 in 9 realisiert das optische Kohärenztomografiesystem durch eine optische Faser und weist einen Frequenzkammlichtgenerator 61, einen optischen Fasersplitter 62, eine Messgeberlinse 63, einen feststehenden Referenzspiegel 64, eine Detektionslinse 65, einen optischen Detektor 66 und einen Computer 67 auf. In dieser Ausführung kann eine Avalanche-Fotodiode als optischer Detektor 66 benutzt werden.
Der Frequenzkammlichtgenerator 61 wird durch das Steuersignal C von dem Computer 67 gesteuert. Das von dem Frequenzkammlichtgenerator 61 ausgegebenen Frequenzkammlicht OFC wird durch einen optische Faser F6 übertragen und an dem optischen Fasersplitter 62 in zwei Teile gesplittet. Ein Teil wird von dem feststehenden Referenzspiegel 64 an dem Ende der optischen Faser F6 (eine polarisationserhaltende Faser) reflektiert und zu dem Licht konvertiert, welches in Richtung auf die Detektionslinse 65 durch die optische Faser F6 von dem optischen Fasersplitter 62 übertragen wird. Dieses konvertierte Licht wird dem optischen Detektor 66 durch die Detektionslinse 65 zugeleitet.
Der andere Teil des von dem optischen Fasersplitter 62 aufgesplitteten Lichts wird in Richtung auf das Messobjekt O durch die Messgeberlinse 63 ausgegeben. Das von dem Messobjekt O reflektierte Licht wird in die optische Faser F6 eingegeben und in den optischen Detektor 66 durch die Detektionslinse 65 eingegeben.
Der Betrieb des optischen Kohärenztomografiesystems 6 in 9 ist grundsätzlich der gleiche wie derjenige des optischen Kohärenztomografiesystems 4 in 6(A) und des optischen Kohärenztomografiesystems 5 in 8.
10 zeigt einen Frequenzkammlichtgenerator, welcher in dem oben erwähnten optischen Kohärenztomografiesystem verwendet werden kann. In 10 weist der Frequenzkammlichtgenerator 7 eine Laserlichtquelle 71, einen Isolator 72 und einen optischen Resonator 73 auf.
Die Laserlichtquelle 71 kann ein Laserlicht (Mittenwinkelfrequenz ω₀) mit einem Wellenlängenband ausgeben, bei welchem die Eindringwirksamkeit in einen lebenden Körper hoch ist, und die Mittenfrequenz ω₀ des ausgegebenen Lichts kann eine Breite durch Eingabe des Modulationssignals LM aufweisen.
Der Isolator 72 ist zwischen der Laserlichtquelle 71 und dem optischen Resonator 73 angeordnet, und die Laserlichtquelle 71 ist mit einem ersten Port P71 durch eine optische Faser F71 verbunden, und der optische Resonator 73 ist mit einem zweiten Port P72 durch eine optische Faser F72 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden.
Die Laserlichtquelle 71 kann ein Laserlicht (Mittenwinkelfrequenz ω₀) mit einem Wellenlängenband (zum Beispiel 1,2...1,6 μm) ausgeben, bei dem die Eindringwirksamkeit in einen lebenden Körper hoch ist, und die Mittenfrequenz ω₀ des ausgegebenen Lichts kann eine Breite durch Eingabe des Modulationssignals LM in einer solchen Art und Weise aufweisen, die ähnlich zu derjenigen für die Laserlichtquelle 11 in 1 und 4 und für die Laserlichtquelle 21 in 5 ist.
Der Isolator 72 ist zwischen der Laserlichtquelle 71 und dem optischen Resonator 73 angeordnet, und die Laserlichtquelle 71 ist mit einem ersten Port P71 durch eine optische Faser F71 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden, und der optische Resonator 73 ist mit einem zweiten Port P72 durch eine optische Faser F72 (eine polarisationserhaltende Faser) verbunden.
Der optische Resonator 73 erzeugt das Frequenzkammlicht OFC basierend auf dem Laserlicht (Mittenfrequenz ω₀), welches von der Laserlichtquelle 71 ausgegeben wird. Der optische Resonator 73 weist Folgendes auf: einen polarisationserhaltenden optischen Koppler 731; eine optische Faserschleife 732; einen optischen Modulator 732, der den gleichen Aufbau wie der optische Modulator 131 in 2(A), (B) besitzt; und einen Verstärker 734 für eine optische Faser.
Ein Teil des ausgegebenen Lichts (Winkelfrequenz ω₀) wird in die optische Faserschleife 732 an dem polarisationserhaltenden optischen Koppler 731 eingegeben. Ein Teil des in die optische Faserschleife 732 eingegebenen Lichts wird für die Modulationsfrequenz durch den Kammabstand Ω an dem optischen Modulator 733 verschoben und resultiert in dem Licht der Winkelfrequenz (ω₀ ± Ω). Dieses Licht kehrt zu dem polarisationserhaltenden optischen Koppler 731 zurück, nachdem es in der optischen Faserschleife 732 umgelaufen ist, und läuft nochmals um die optische Faserschleife 732. Ein Teil des Lichts der Winkelfrequenz (ω₀ ± Ω) wird von dem optischen Modulator 733 frequenzverschoben und resultiert in dem Licht der Winkelfrequenz (ω₀ ± 2Ω).
In dieser Ausführung schwächt sich das in der optischen Faserschleife 732 umlaufende Licht nicht ab, da der Verstärker 734 für eine optische Faser die optischen Verluste in der optischen Faserschleife 732 kompensiert.
Dementsprechend wird, da das kontinuierliche Licht ständig von der Laserlichtquelle 71 ausgesendet wird, das Laserlicht mit N Frequenzkämmen von {ω₀ – (N-1)Ω/2, ..., ω₀ – 2Ω, ω₀ – Ω, ω₀, ω₀ + Ω, ω₀ + 2Ω, ..., ω₀ + (N-1)Ω/2} von dem Ausgabeport OUT ausgegeben, indem das in den polarisationserhaltenden optischen Koppler 731 eingegebene Licht in der optischen Faserschleife 732 umläuft. Das Laserlicht ist das Frequenzkammlicht OFC, in welchem N Frequenzkämme mit dem Kammabstand in dem Band von (N-1)Ω (siehe 2(C)) verteilt sind, wobei N ein ungerade Zahl ist.
Industrielle Anwendbarkeit

(1) Das Verfahren zum Messen einer Gestalt und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Messung einer Gestalt, wie beispielsweise ein optisches Kohärenztomografiesystem, verwendet Frequenzkämme als Licht und erzielt die folgenden Effekte. (a) Bei einer typischen herkömmlichen optischen Kohärenztomografie sind viele mechanische bewegliche Abschnitte erforderlich. Wenn jedoch das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung einer Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem optischen Kohärenztomografiesystem angewendet werden, ist zumindest ein Referenzspiegel fest angebracht. Deshalb kann ein optisches Kohärenztomografiesystem kleiner Baugröße mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen realisiert werden. (b) Wenn das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung einer Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem optischen Kohärenztomografiesystem angewendet werden, wird die Auslastungseffizienz des Lichts höher, da die Stärke des Frequenzkammlichts, das von dem Frequenzkammlichtgenerator erzeugt wird, viel größer ist als diejenige des von der herkömmlichen Lichtquelle mit niedriger Kohärenz erzeugten Lichts, und es ermöglicht eine Beobachtung des tiefen Abschnitts bei einer hohen Genauigkeit, welche bei der herkömmlichen optischen Kohärenztomografie unmöglich gewesen ist. Wenn das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung einer Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem optischen Kohärenztomografiesystem angewendet werden, wird eine Beobachtung unter einer Haut zu einem tiefen Abschnitt und bei einer hohen Tiefenraumauflösung möglich, da der Frequenzkammlichtgenerator anstelle der Lichtquelle mit niedriger Kohärenz (siehe Bezugszeichen 81 in 11(A)) verwendet wird und der Frequenzabstand der Frequenzkämme variabel ausgebildet ist. (c) Bei dem Verfahren zum Messen einer Gestalt und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Bildsensor benutzt werden, und es gestattet eine kürzere Messzeit und die Gestaltmessung eines sich bewegenden Objekts. (d) Bei dem Verfahren zum Messen einer Gestalt und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine hohe Tiefenraumauflösung erzielt, da viele Frequenzkämme erzeugt werden können. Zum Beispiel betrug die Tiefenraumauflösung bei dem herkömmlichen optischen Kohärenztomografiesystem ungefähr 10 μm. Wenn die Vorrichtung zur Messung einer Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem optischen Kohärenztomografiesystem anwendbar ist, können Lichtkämme in der Bandbreite von ungefähr 100 nm für das Laserlicht von 1,3 μm Mittenwellenlänge erzeugt werden, und deshalb kann die Tiefenraumauflösung auf 5 μm verbessert werden. (e) Wie oben erwähnt ist die Leistungsfähigkeit des Verfahrens und der Vorrichtung zur Messung einer Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutend verbessert. Wenn sie bei einem optischen Kohärenztomografiesystem anwendbar sind, können die verschiedenen Probleme im medizinischen Klinikbereich (großer Platz, teuer, usw.) gelöst werden. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung einer Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht nur bei einem optischen Kohärenztomografiesystem anwendbar, sondern auch bei allgemeinen Gerätschaften zur Messung von mikroskopischen Formen bzw. Gestalten.
(2) Bei dem Frequenzkammlichtgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Abstand zwischen Spiegeln in einem optischen Resonator lang genug sein, indem eine optische Faser verwendet wird. Deshalb wird der Resonanzfrequenzabstand klein und der Frequenzabstand der Frequenzkämme kann variabel sein. Es ist möglich, den Effekt einer Änderung in dem Polarisationszustand einer optischen Faser zu kompensieren, indem ein Faraday'scher Rotationsspiegel als einer der zwei Reflexionsspiegel benutzt wird. Es ist ebenfalls möglich, den Polarisationszustand unveränderlich zu machen, indem eine polarisationserhaltende Faser als optische Faser verwendet wird, welche aus dem Resonator heraus geführt wird. Da, falls erforderlich, ein Verstärker für eine Faser in dem Frequenzkammlichtgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, kann das reflektierte Licht (Signallicht) von innerhalb eines Objekts mit starker Dispersion bei einem hohen SN- bzw. Signal-Rausch-Verhältnis erfasst werden.

ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gestaltmessung, welche zur Beobachtung des tiefen Abschnitts unter einer Haut mit einer hohen Raumauflösung unter Verwendung eines Frequenzkammlichtgenerators geeignet ist, werden bereitgestellt. Ein Frequenzkammlichtgenerator zur Erzeugung mehrfacher Frequenzkämme mit variablem Frequenzabstand bei hoher Betriebsstabilität ist geschaffen.
Diese Vorrichtung zur Gestaltmessung weist einen Frequenzkammlichtgenerator und ein optisches Interferometer zur Messung des Abstands auf. Der Frequenzkammlichtgenerator weist eine Laserlichtquelle 11, einen optischen Resonator 13, einen Kammabstandsregler 14 und einen Ausgabeport OUT auf. Der optische Resonator 13 weist einen optischen Modulator 131, einen ersten Spiegel M11, eine optische Faser F13 auf, welche von einem leichten Wellenleiter des optischen Modulators heraus gezogen ist. Der Kammabstandsregler 4 ist ein Modulationssignalgenerator zur Variation des Modulationssignals. Die optische Faser F13 ist mit einer Einrichtung (Faraday'scher Rotationsspiegel) zur Kompensation einer Veränderung in dem Polarisationszustand ausgerüstet.

Claims

Verfahren zum Messen einer Gestalt, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Erzeugen von Frequenzkammlicht durch Eingeben eines Laserlichts von einer Laserlichtquelle in eine optische Faser, welche eine Veränderung im Polarisationszustand kompensiert und die Polarisation beibehält, und einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel aufweist, die durch einen Resonanzabstand voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei das Laserlicht von der Seite des ersten Spiegels eingekoppelt wird, und Modulieren des Laserlichts, welches zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel übertragen wird, unter Verwendung einer Modulationselektrode; und Eingeben des Frequenzkammlichts in ein optisches Interferometer zur Abstandsmessung und Messen einer Gestalt des Messobjekts mit dem optischen Interferometer; und Regeln einer Beobachtungstiefe durch Variieren des auf die Modulationselektrode aufgebrachten Modulationssignals, so dass ein Frequenzabstand von Frequenzkämmen, welcher das Frequenzkammlicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das optische Interferometer eine Lichtaufnahme ausführt, wobei unter Verwendung eines optischen Splitters das Frequenzkammlicht in zwei Teile aufgeteilt wird, wobei ein Teil an einen feststehenden Referenzspiegel ausgegeben wird, der andere Teil in Richtung auf das Messobjekt ausgegeben wird, und das von dem feststehenden Referenzspiegel reflektierte Licht und das von dem Messobjekt reflektierte Licht unter Verwendung des optischen Splitters kombiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das durch den optischen Splitter kombinierte Frequenzkammlicht von einem Bildsensor, der als optischer Detektor betrieben wird, oder von einem Bildsensor erfasst wird, der separat von dem optischen Detektor vorgesehen ist, und der Brennpunkt des Frequenzkammlichts, welches in Richtung auf das Messobjekt ausgegeben wird, mit einer Linse mit variablem Brennpunkt eingeregelt bzw. eingestellt wird, welche zwischen dem optischen Splitter und dem Messobjekt angeordnet ist.
Vorrichtung zur Gestaltmessung, aufweisend: einen Frequenzkammlichtgenerator umfassend: eine Laserlichtquelle; einen optischen Resonator zur Erzeugung von Frequenzkammlicht aus dem von der Laserlichtquelle ausgegebenen Laserlicht; einen Kammabstandsregler zur Variation des Frequenzabstands eines Frequenzkamms, welcher das Frequenzkammlicht bildet; und einen Ausgabeport zur Entnahme einer Resonanzausgabe von dem optischen Resonator; und ein optisches Interferometer zur Abstandsmessung, welches den Frequenzkammlichtgenerator als Lichtquelle verwendet, wobei der optische Resonator Folgendes aufweist: einen optischen Modulator zur Modulation des Lichts durch eine Modulationselektrode; einen ersten Spiegel, der an einem Ende eines Lichtwellenleiters des optischen Modulators angeordnet ist; eine optische Faser, die aus dem anderen Ende des Wellenleiters des optischen Modulators heraus geführt ist; einen zweiten Spiegel, der an dem Ende der optischen Faser angeordnet ist; wobei der Kammabstandsregler ein Modulationssignalgenerator zur Variation des der Modulationselektrode zugeführten Modulationssignals ist, und der zweite Spiegel eine Einrichtung zur Kompensation der Veränderung des Polarisationszustands ist, oder die optische Faser eine polarisationserhaltende Faser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das optische Interferometer einen optischen Splitter, einen feststehenden Referenzspiegel und einen optischen Detektor aufweist, das Frequenzkammlicht vom Frequenzkammlichtgenerator mit dem optischen Splitter in zwei Teile gesplittet wird, ein Teil an den feststehenden Referenzspiegel ausgegeben wird, der andere Teil an das Messobjekt ausgegeben wird, das von dem feststehenden Referenzspiegel reflektierte Licht mit dem von dem Messobjekt reflektierte Licht durch den optischen Splitter kombiniert wird, und das kombinierte Licht an den optischen Detektor ausgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das optische Interferometer ein räumliches optisches System ist und der optische Splitter ein Halbspiegel ist, oder wobei das optische Interferometer ein optisches Fasersystem ist und der optische Splitter ein optischer Fasersplitter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das durch den optischen Splitter kombinierte Frequenzkammlicht durch einen Bildsensor, welcher als optischer Detektor betrieben wird, oder durch einen Bildsensor erfasst wird, welcher separat von dem optischen Detektor angeordnet ist, wobei der Brennpunkt des in Richtung auf das Messobjekt ausgegebenen Frequenzkammlichts durch eine Linse mit variablem Brennpunkt geregelt ist, welche zwischen dem optischen Splitter und dem Messobjekt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Vorrichtung ein optisches Kohärenztomografiesystem ist.
Frequenzkammgenerator, aufweisend: eine Laserlichtquelle; einen optischen Resonator zur Erzeugung eines Frequenzkammlichts von dem von der Laserlichtquelle ausgegebenen Laserlicht; einen Kammabstandsregler zur Variation des Frequenzabstands eines Frequenzkamms, welcher das Frequenzkammlicht bildet; und einen Ausgabeport zur Entnahme einer Resonanzausgabe von dem optischen Resonator; wobei das von der Laserlichtquelle ausgegebene Laserlicht so moduliert ist, dass die Frequenz eine vorher festgelegte Weite aufweist, wobei der optische Resonator Folgendes aufweist: einen optischen Modulator zur Modulation des Lichts durch eine Modulationselektrode; einen ersten Spiegel, der an einem Ende eines Lichtwellenleiters des optischen Modulators angeordnet ist; eine optische Faser, die aus dem anderen Ende des Lichtwellenleiters des optischen Modulators heraus geführt ist; einen zweiten Spiegel, der an dem Ende der optischen Faser angeordnet ist; wobei der Kammabstandsregler ein Modulationssignalgenerator zur Variation des der Modulationselektrode zugeführten Modulationssignals ist, und der zweite Spiegel eine Einrichtung zur Kompensation der Veränderung des Polarisationszustands ist, oder die optische Faser eine polarisationserhaltende Faser ist.
Frequenzkammgenerator nach Anspruch 9, weiterhin aufweisend: einen Zirkulator mit einem ersten Port, einem zweiten Port und einem dritten Port, welcher zwischen der Laserlichtquelle und dem optischen Resonator angeordnet ist, wobei die Laserlichtquelle durch eine optische Faser mit dem ersten Port verbunden ist, der optische Resonator durch eine polarisationserhaltende Faser mit dem zweiten Port verbunden ist, und der dritte Port ein Ausgabeport für das Frequenzkammlicht ist, der erste Spiegel an dem Lichtwellenleiter des optischen Modulators an der Seite des Zirkulators angeordnet ist, der zweite Spiegel ein Faraday'scher Rotationsspiegel und an dem Ende einer vorher festgelegten Länge einer optischen Faser angeordnet ist, welche nicht polarisationserhaltend ist und mit dem Lichtwellenleiter des optischen Modulators an der gegenüber liegenden Seite des ersten Spiegels verbunden ist.
Frequenzkammgenerator nach Anspruch 10, wobei die optische Faser mit einem Verstärker für eine optische Faser ausgerüstet ist.
Frequenzkammgenerator nach Anspruch 9, weiterhin aufweisend: einen Isolator mit zwei Ports, welcher zwischen einer Laserlichtquelle und einem optischen Resonator angeordnet ist, wobei die Laserlichtquelle durch eine optische Faser mit dem einen Port verbunden ist, der optische Resonator durch eine polarisationserhaltende Faser mit dem anderen Port verbunden ist, wobei der erste Spiegel an dem Lichtwellenleiter des optischen Modulators an der Seite des anderen Ports des Isolators angeordnet ist, der zweite Spiegel ein Ausgabeport für das Frequenzkammlicht ist und an dem Ende einer vorher festgelegten Länge einer polarisationserhaltenden Faser angeordnet ist, die optische Faser mit dem Lichtwellenleiter des optischen Modulators an der gegenüber liegenden Seite des ersten Spiegels verbunden ist, ein Verstärker für eine polarisationserhaltende Faser in der polarisationserhaltenden Faser vorgesehen ist.