DE19814057A1

DE19814057A1 - Anordnung zur spektralinterferometrischen optischen Tomographie und Oberflächenprofilmessung

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Publication number: DE19814057A1
Application number: DE19814057A
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JP4304286B2; US6377349B1; DE19814057B4; JPH11325849A

Abstract

Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Oberflächenprofilmessung und optischen Schnittbildgewinnung an transparenten, teilweise transparenten und opaken Objekten mit dem spektralinterferometrischen OCT-Verfahren. Bei dem spektralinterferometrischen OCT-Verfahren wird die Tiefenposition der lichtremittierenden Objektstellen aus dem vom Objekt remittierten Licht durch eine Fourier-Transformation gewonnen. Wegen der hierzu erforderlichen Wegdifferenz zwischen Objektlicht und Referenzlicht treten im Spektrum große Raumfrequenzen auf, die das Auflösungsvermögen dieses Verfahrens beeinträchtigen. Erfindungsgemäß wird das Referenzlicht dazu benutzt, mit Hilfe diskreter Phasenverschiebungen aus den gemessenen spektralen Intensitäten die Phase des Wellenlängenspektrums zu messen. Dies ist auch bei Wegdifferenz Null zwischen Objektlicht und Referenzlicht möglich und somit tritt hier keine Auflösungsverschlechterung ein.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Oberflächenprofilmessung und optischen Schnittbildgewinnung an transparenten, teilweise transparenten und opaken Objekten. Eine solche Anordnung ist in vielen Bereichen einsetzbar. Derzeit erscheint eine solche Anordnung vor allem in der Medizin von erheblichem Wert, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.

Zum Stand der Technik: Zwei grundlegende optisch-tomographische Verfahren sind in den neunziger Jahren entwickelt worden. In der optischen Streulicht-Tomographie werden Absorptions- und Streukoeffizienten des abzubildenden Objektbereichs aus der charakteristischen Beeinflussung von Lichtstrahlen ermittelt, die den abzubildenden Objektbereich mehrfach gestreut durchlaufen. Dieses Verfahren liefert Bilder mit schlechter räumlicher Auflösung. Das zweite Verfahren, die Optische Kohärenz- Tomographie (allgemein mit OCT von "Optical Coherence Tomography" bezeichnet) basiert auf Kohärenzeigenschaften des Lichts und liefert hochaufgelöste Bilder [D. Huang; E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, J. G. Fujimoto: Optical coherence tomo graphy. Science 254 (1991), 1178-1181]. Eigentlich müßte man OCT als "Optische Kurzkohärenz-Tomographie" bezeichnen; weil es auf die Verwendung von kurzkohä rentem Licht, also Licht mit einer deutlichen spektralen Breite und damit kurzer Zeit kohärenz ankommt. Bei der OCT wird das Objekt Punkt für Punkt entlang einer auf der Objektoberfläche in x-Richtung verlaufenden Linie von dem Meßstrahl eines In terferometers abgetastet. Unter jedem Oberflächenpunkt dringt der Meßstrahl auch in das Objekt (in z-Richtung) ein und das remittierte Licht wird mit dem Referenzstrahl des Interferometers zur Interferenz gebracht. Interferenz entsteht wegen der Verwen dung von Kurzkohärenz-Licht nur, wenn Meßstrahl und Referenzstrahl innerhalb der Kohärenzlänge gleiche Weglänge haben. Durch kontinuierliches Durchfahren der Meß strecke mit dem Referenzspiegel werden Tiefenposition z und Lichtstreustärke der lichtremittierenden Stellen unter jedem Oberflächenpunkt im Meßobjekt registriert. Man kann dies in Analogie zu den bekannteren Ultraschallverfahren auch als "opti schen A-Scan" bezeichnen. (Der Unterschied zum Ultraschall besteht jedoch darin, daß der Ultraschall-A-Scan die Tiefenposition der Reflexionsstellen von Schallechos auf grund der Laufzeit aus dem Objektinnern gewinnt, während bei OCT die Tiefenpositi on über den für Interferenz erforderlichen Weglängenabgleich zwischen Meßstrahl und Referenzstrahl bestimmt wird). Aus vielen in x-Richtung zueinander versetzten opti schen A-Scans wird schließlich das OCT-Tomogramm Zeile für Zeile zusammenge setzt.

OCT ist inzwischen zu einem erfolgreichen Diagnostikverfahren, insbesondere in der Ophthalmologie, geworden. Ein Nachteil des originalen OCT-Verfahrens besteht aller dings darin, daß der Referenzspiegel mechanisch bewegt werden muß. Dies ist ver schleißbehaftet und begrenzt die Schnelligkeit der Bildgewinnung.

Eine Alternative zu dem oben geschilderten optischen A-Scan bildet das spektralinter ferometrische Verfahren. Hierbei wird die Tiefenposition z der lichtremittierenden Ob jektstellen aus dem Wellenlängenspektrum des remittierten Lichts bestimmt, wie in der Literaturstelle L. M. Smith and C. C. Dobson, Applied Optics, 1989, Vol. 28, No. 15, Seiten 3339-3342 beschrieben. Dieses Verfahren bildet auch die Basis für die öster reichische Patentanmeldung A216/93-1 sowie für die deutsche Anmeldung DE 43 09 056 A1. Hierbei wird der optische A-Scan durch eine Fourier-Transformation der spektralen Intensitätsverteilung des vom Objekt remittierten Lichts gewonnen.

Bei der zuletzt beschriebenen Methode wird das Spektrum des vom Objekt remittierten Lichts beispielsweise mittels eines Dioden-Arrays in der Spektrometerebene gewonnen. Die direkte Anwendung der Fourier-Transformation liefert allerdings nicht den eigent lichen A-Scan, sondern die Autokorrelationsfunktion des A-Scans [eine strenge Be gründung hiefür findet sich beispielsweise in der Literaturstelle: A. F. Fercher, C. K. Hitzenberger, G. Kamp, S. Y. El-Zaiat: Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Interferometry. Opt. Commun. 117 (1995) 43-48]. Der physi kalische Grund hiefür ist die Tatsache, daß das Diodenarray das vom Objekt remittierte Licht nur hinsichtlich seiner wellenlängenabhängigen Intensität (oder deren Quadrat wurzel, das ist der Amplitudenbetrag) registriert, die Phase jedoch explizit unberück sichtigt bleibt. Um auch Zugriff zur Phase zu bekommen, ist eine Referenzwelle mit einer Wegdifferenz zum Objekt erforderlich, die die Objekttiefe überschreitet. Dies führt jedoch zu einer erheblichen Vergrößerung der Raumfrequenzen im Spektrum, die vom Diodenarray auch aufgelöst werden müssen. Es wird hier also ein Teil des verfüg baren Auflösungsvermögens des Diodenarrays bloß zur Phasenregistrierung verwen det, ohne die Auflösung der Abbildung zu erhöhen. Da die Auflösung dieses OCT- Verfahrens jedoch durch die Auflösung der verfügbaren Dioden-Arrays bestimmt ist, wird hiedurch eine unnötige Einschränkung der Auflösung der OCT Bilder provoziert.

Demgegenüber verwendet die erfindungsgemäße Anordnung zwar auch eine Refe renzwelle, jedoch in einer Weise, die das Auflösungsvermögen des Diodenarrays nicht zusätzlich beansprucht.

Die erfindungsgemäße Anordnung basiert auf einem in der Literatur beschriebenen Verfahren [in der Literaturstelle: Fercher, A. F.; Hitzenberger, C. K.; Kamp, G.; El-Zaiat, S. Y.: Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Inter ferometry. Opt. Commun. 117 (1995) 43-48], nach welchem man die Verteilung der lichtstreuenden Stellen in z-Richtung entlang dem Meßstrahl - strenger: das Streupo tential F(z) - durch Fourier-Transformation der komplexen spektralen Amplitude, also aus spektralem Amplitudenbetrag A(λ) und spektraler Phase Φ(λ) des remittierten Lichtstrahls, erhält. Es müssen also Amplitude und Phase im remittierten Licht für die benutzten Wellenlängen gemessen werden. Hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwar auch ein Referenzstrahl benutzt, dieser benötigt jedoch keine zusätzli che Wegdifferenz zum Objektlicht. Der Referenzstrahl wird in seiner Phase um diskrete Schritte verändert und aus den zugehörigen spektralen Intensitäten im Interferogramm werden Amplitude und Phase des Objektlichts bestimmt. Solche Phasenmeßverfahren sind in der digitalen Interferometrie Stand der Technik und beispielsweise in dem Lehrbuch "P. Hariharan: Optical Interferometry" [Academic Press 1985, ISBN 0 12 325220 2], beschrieben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht daher im wesentlichen aus einem Beleuch tungsstrahl, der das Meßobjekt beleuchtet, aus Spektrometergitter oder -prisma bzw. -prismen, welche das vom Meßobjekt remittierte Objektlicht spektral trennen, einem in seiner Phase relativ zum Objektstrahl schrittweise veränderbaren Referenzstrahl, der dem Objektstrahl überlagert wird, und einem Detektor-Array, welches die spektralen Intensitäten des Interferogramms bei den verschiedenen Phasenwerten des Referenz lichts mißt. Dies wird im folgenden anhand der Abbildungen näher beschrieben. Die Ziffern bedeuten:

Bezugszeichenliste

1

zeitlich kurzkohärente, räumlich voll kohärente Lichtquelle

2

Strahlteiler

3

Meßstrahl

4

Referenzstrahl

5

drehbarer Umlenkspiegel

6

Fokussieroptik

7

Objekt

8

Dispersionsprisma

9

Spektrometeroptik

10

Detektor-Array

11

Referenzspiegel

12

Piezoversteller (inklusive Steuerelektrik)

13

Rechner

14

Spiegelprisma

15

Dachkantprisma

16

Umlenkspiegel

17

Umlenkspiegel

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in der Abb. 1 dargestellt. Eine zeitlich kurzkohärente aber räumlich voll kohärente Lichtquelle 1, beispielsweise eine Super lumineszenzdiode, dient als Lichtquelle. Der von ihr emittierte Lichtstrahl wird durch einen Teilerspiegel 2 in Meßstrahl 3 und Referenzstrahl 4 geteilt. Der Meßstrahl 3 wird von dem drehbaren Umlenkspiegel 5 auf die Optik 6 gerichtet und von dieser auf das Meßobjekt 7 fokussiert. Das vom Meßobjekt remittierte Licht läuft über die Optik 6 und den Umlenkspiegel 5 zurück zum Teilerspiegel 2 und wird von diesem zum Inter ferometerausgang gerichtet. Dort ist ein Spektralphotometer angeordnet, bestehend aus Dispersionsprima (oder alternativ Beugungsgitter) 8, Spektrometeroptik 9 und Detektor-Array 10. Ohne das Referenzlicht registriert das Spektralphotometer die bei der Strahlposition x aus der gesamten beleuchteten Objekttiefe remittierte Lichtinten sität in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ:I(x, λ).

Das Referenzlichtbündel 4 wird von dem Referenzspiegel 11 reflektiert und trifft durch den Strahlteiler 2 hindurch ebenfalls am Interferometerausgang auf das Spektrometer bestehend aus Dispersionsprima 8, Spektrometeroptik 9 und Detektor-Array 10. Die Phase P des am Referenzspiegel 11 reflektierten Referenzstrahls 4 kann durch Ver schieben des Referenzspiegels 11 mit Hilfe eines Piezoverstellers 12 in diskreten Schritten verändert werden. Es sei hier darauf hingewiesen, daß der Referenzspiegel 11 vorzugsweise in etwa demselben optischen Abstand vom Strahlteiler 2 aufgestellt werden kann und soll, wie das Objekt 7. Dann bleibt die oben beschriebene Erhöhung der Raumfrequenzen in dem vom Detektor-Array 10 aufzulösenden Spektrum aus.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung wird im folgenden mit einem aus der Literatur bekannten Phasenmeßverfahren der digitalen Interferometrie erläutert. Es gibt mehrere solche Verfahren, einige sind in dem oben zitierten Lehrbuch "Optical Inter ferometry" beschrieben. Auch zur technischen Realisierung der diskreten Phasen schritte im Referenzarm gibt es mehrere technische Realisierungsmöglichkeiten, bei spielsweise auf polarisationsoptischer Basis oder mittels piezoelektrischer Verstellele mente. All dies gehört zum bekannten Stand der Technik und wird hier nicht näher erläutert.

Es können zur Phasenmessung beispielsweise durch Verschieben des Referenzspiegels entlang der Strahlachse mittels des piezoelektrischen Verstellers 12 drei diskrete Ein stellungen des Referenzspiegels verwendet werden (alles folgende erfolgt bei ein und derselben Meßstrahlposition x):

(1) die erste Einstellung kann die Ruhestellung des Piezoverstellers 12 sein. Dieser Einstellung kann der Phasenwert P = 0 zugeordnet werden (da es nur auf die Pha sendifferenzen der drei Einstellungen ankommt). Das Detektoren-Array 10 des Spektrometers liefert (bei Strahlposition x und Wellenlänge λ die Intensitäten I(x; P = 0; λ).
(2) Die zweite Einstellung erfolgt nach Verschiebung des Referenzspiegels um λ/8, was wegen des zweimaligen Durchlaufens des Lichts durch diese zusätzliche Strecke einer Phasenverschiebung um P = π/2 gleich kommt. Das Detektoren- Array 10 des Spektrometers liefert nun die Intensitäten I(x; P = π/2; λ).
(3) Schließlich erfolgt nach einer weiteren Verschiebung des Referenzspiegels um λ/8 noch eine Messung bei P = π.
I(x; P = π; λ).

Aus diesen drei Messungen erhält man die Phase Φ(x; λ) der Objektwelle:
Φ(x; λ) = arctan {[2.I(x; π/2; λ) - I(x; 0; λ) - I(x; π; λ)]/[I(x; π; λ) - I(x; 0; λ)]}.

Den Betrag der Amplitude A(x; 2) schließlich erhält man aus der Intensität I(x; λ):

Somit liegen spektrale Amplitude A(x; λ) und spektrale Phase Φ(x; λ) des remittierten Lichts zur Berechnung des Streupotentials F(x; z) entlang des Meßstrahls in der Positi on x vor:
F(x; z) = FT{A(x; λ).exp(i.Φ(x; λ)}.

Aus vielen solchen Messung bei verschiedenen x-Werten wird mit Hilfe eines Rechners 13 das Tomogramm F(x; z) zusammengestellt.

Schließlich sein noch darauf hingewiesen, daß es bei dieser Phasenmessung nur auf relative Phasendifferenzen zwischen Meßlicht und Referenzlicht ankommt. Man kann daher genausogut die Phase des Referenzlichts unverändert lassen und die erforderli chen diskreten Phasenverschiebungen am Meßlicht vornehmen, entweder bevor es auf das Objekt trifft oder auch darnach. So zeigt die Abb. 2 eine Anordnung, bei der der Meßstrahl zunächst von einem Spiegelprisma 14 auf das Dachkantprisma 15 ge lenkt wird und von diesem wieder zurück zum Spiegelprisma 14. Der weitere Verlauf des Meßstrahls entspricht dem der Abb. 1. Das Dachkantprisma ist auf einem Piezoversteller montiert, mit dessen Hilfe die für die Phasenmessung erforderlichen diskreten Phasenverschiebungen nunmehr am Objektlicht ausgeführt werden. Das Re ferenzlichtbündel 4 wird vom Strahlteilerspiegel 2 über die Umlenkspiegel 16 und 17 zum Spektrometer gelenkt.

Der Vollständigkeit halber sei noch angeführt, daß man mit diesen Verfahren bei opa ken Objekten zwar keine Tomogramme jedoch topographische Oberflächenprofile auf nehmen kann.

Claims

1. Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie mittels eines Interferometers, dessen Meßarm beispielsweise mittels eines drehbaren Um lenkspiegels das Objekt abtastet und in dessen Referenzarm ein Referenzspiegel angeordnet ist, wobei die am Interferometerausgang durch Interferenz der Licht bündel aus Meßarm und Referenzarm auftretende Lichtintensität durch ein Spek trometer analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzarm eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Phase des Referenzlichtbündels stufenweise um diskrete Werte verändert.

2. Anordnung zur optischen Kohärenztomographie und Kohärenztopographie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßlichtarm eine Vorrichtung vorge sehen ist, die die Phase des Meßlichtbündels stufenweise um diskrete Werte verän dert.