DE19832175B4

DE19832175B4 - Verfahren und Anordnungen zur transversalen optischen Kohärenztomographie

Info

Publication number: DE19832175B4
Application number: DE19832175A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fercher Adolf Friedrich
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2018-07-18
Also published as: DE19832175A1; US6124930A; ATA123597A; JPH11125592A; JP4024390B2

Abstract

Verfahren zur transversalen ebenen optischen Kurzkohärenz-Tomographie durch Abtastung des Objekts mittels eines Messstrahls, der in einer Interferometer-Anordnung mit einem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht wird, der Abtaststrahlengang nach einer Fokussieroptik auf der Seite des abzutastenden Objekts telezentrisch verläuft und ebene tomographische Abbildungen ohne zusätzliche, durch die Abtastung bedingte, Frequenzmodulation des Interferometer-Ausgangssignals erreicht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der abtastende Messstrahl von einer Zoom-Optik auf das Objekt fokussiert wird.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Bildgewinnung in der Medizin.
Stand der Technik:
Bei der transversalen optischen Kohärenztomagraphie wird ein transversales Schnittbild eines Objekts dadurch gewonnen, daß der Meßstrahl eines Kurzkohärenz-Interferometers das Objekt auf der Oberfläche flächenmäßig abtastet, also beispielsweise entlang einer Mäanderlinie oder kammförmig. Diese Abtastbewegung ergibt die x- und y-Koordinaten des Bilds. In jeder x-y-Position dringt der Meßstrahl auch in das Objekt in z-Richtung ein. Mit Hilfe des tomographischen Kurzkohärenz-Interferometers wird die Tiefenposition z₀ festgelegt, aus welcher das remittierte Licht registriert wird. So erhält man ein tomographisches Bild I(x, y, z₀) des Objekts in transversaler Richtung, d. h. in Richtung normal zum abtastenden Lichtstrahl.
Eine solche transversale optische Kohärenztomographie wurde erstmalig von den Autoren A. Gh. Podoleanu, G. M. Dobre, D. J. Webb und D. A. Jackson in: Optics Letters, Band 21, Jahrgang 1996, Seiten 1789 bis 1791, beschrieben. Das von diesen Autoren beschriebene Verfahren ist in der vereinfacht dargestellt. Die Ziffern und Zahlen in deser und den folgenden Abbildungen bedeuten:
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle kurzer Zeitkohärenz
2: räumlich kohärenter Lichtstrahl kurzer Zeitkohärenz
3: Teilerspiegel
4: Referenzstrahl
5: Referenzspiegel
6: Meßstrahl
7' und 7'': Scanning-Spiegelpaar mit zueinander normalen Drehachsen
8: Fokussieroptik
9: Objekt, von dem Tomographien angefertigt werden
10: Drehzentrum des Scanning-Spiegelpaars 7' und 7''
11: Bild der Drehzentrums 10
12: Photodetektor
13: Elektronik zur Verstärkung und Bandpaßfilterung des Interferometersignals
14: Rechner
15: Monitor
16: ebene Objektoberfläche
17: Kugelfläche
18: Quarzglasblock
19: Schallgeber
20: Wechselspannungsquelle
21: Brennpunkt der Fokussieroptiken
22: Brennebene der Fokussieroptiken
23: Objekt
23' und 23'': Schnittebenen der tomographischen Abbildung
24: optische Achse der Zoom-Optik
25: Zoom-Optik
26: optische Achse der Fokussieroptiken
27 und 27': zur optischen Achse geneigte Schnittebenen der tomographischen Abbildung.

In der emittiert die Lichtquelle 1, beispielsweise eine Superlumineszenz-Diode, einen räumlich kohärenten Lichtstrahl 2 mit kurzer zeitlicher Kohärenz. Dieser Lichtstrahl trifft auf den Teilerspiegel 3 eines modifizierten Michelson-Interferometers. Der Teilerspiegel 3 reflektiert einen Teilstrahl 4 als Referenzstrahl zum Referenzspiegel 5. Der den Teilerspiegel 3 durchsetzende Teilstrahl 6 bildet den Meßstrahl. Dieser wird von dem Scanning-Spiegelpaar 7' und 7'' mit zueinander normalen Drehachsen über die Optik 8 auf das Objekt 9 gerichtet und tastet dieses in x- und y-Richtung ab. Näherungsweise kann man annehmen, daß das Scanning-Spiegelpaar 7' und 7'' den Meßstrahl 3 von einem gemeinsamen Drehzentrum 10 aus ablenkt. Die Optik 8 bildet das Drehzentrum 10 des Scanning-Spiegelpaars 7' und 7'' in den Punkt 11 ab. Durch diesen Punkt gehen alle das Objekt 9 abtastenden Meßstrahlen 6. Die vom Objekt 9 und vom Referenzspiegel 5 remittierten beziehungsweise reflektierten Lichtbündel gelangen über die Scanning-Spiegel 7' und 7'' und über den Teilerspiegel 3 zum Photodetektor 12 und interferieren dort. Das entstehende photoelektrische Interferometer-Ausgangssignal IS wird – nach Verstärkung und Bandpaßfilterung in einer nachfolgenden Elektronik 13 zur Reduzierung des Rauschens – als Bildsignal I(x, y, z₀) benutzt. Ein Rechner 14 registriert die Größe des photoelektrischen Interferometer-Ausgangssignals IS und die zugehörigen x- und y-Positionen anhand der Signale von dem Scanning-Spiegelpaar 7' und 7''. Das so erstellte Bild wird vom Rechner auf einem Monitor 15 dargestellt oder anderweitig ausgegeben.
Bildet man mit der Anordnung nach eine ebene Objektoberfläche 16 ab, ändert sich die Weglänge des Meßstrahls 6. Diese Weglänge wäre zwar konstant zur Kugeloberfläche 17 (mit dem Zentrum 11), nicht jedoch zur ebenen Fläche 16. Da sich die optische Weglänge im Meßstrahl während des Abtastvorgangs einer ebenen Fläche offenbar ändert, kommt es zu abwechselnd auftretenden konstruktiven und destruktiven Interferenzen am Photodetektor. Das Interferometer-Ausgangssignal IS erfährt somit eine Frequenzmodulation. Die dadurch erzeugte Frequenzbandbreite im Interferometersignal erschwert die elektronische Bandpaßfilterung. Die oben genannten Autoren führen daher im letzten Absatz ihrer Veröffentlichung aus, daß man durch Verlegen des Meßstrahls aus dem Drehzentrum des Scanningspiegels heraus dem Interferometersignal eine höhere Grundfrequenz geben und damit die relative Frequenzbandbreite verkleinern kann. Damit jedoch wird das Problem der Frequenzbandbreite nicht vollständig gelöst; außerdem erhält man einen unsymmetrischen Strahlengang mit entsprechenden Abbildungsfehlern und krumme Bildflächen Aus naheliegenden Gründen sind jedoch ebene tomographische Bilder von besonderer Wichtigkeit
Die Erfindung gibt daher Verfahren und Anordnungen an, bei welchen:

1 ebene Objektflächen ohne Änderung der optischen Weglänge im Meßstrahl abgetastet werden können, und
2. die Frequenz des photoelektrischen Interferometer-Ausgangssignal IS konstant bleibt, was optimale Rauschfilterung erlaubt.

Eine erste Anordnung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der dargestellt. Auch hier emittiert die Lichtquelle 1, beispielsweise eine Superlumineszenz-Diode, einen räumlich kohärenten, parallelen Lichtstrahl 2 mit kurzer zeitlicher Kohärenz. Dieser Lichtstrahl trifft auf den Teilerspiegel 3 eines als Kurzkohärenz-Interferometer modifizierten Michelson-Interferometers. Der Teilerspiegel 3 teilt das Lichtstrahlenbündel 2 in Meßstrahl 6 und Referenzstrahl 4.
Der Referenzstrahl 4 wird zum Referenzspiegel 5 reflektiert und durchläuft hierbei einen beispielsweise akustooptischen Frequenzmodulator. Akustooptische Frequenzmodulatoren gehören zum bekannten Stand der Technik. Diese bestehen beispielsweise aus einem transparenten Quarzglasblock 18 mit einem angekoppelten Schallgeber 19. Der Schallgeber wird von einer Wechselspannungsquelle 20 betrieben. Die durch den Quarzglasblock 18 laufenden Schallwellen erzeugen in diesem ein mit Schallgeschwindigkeit bewegtes Bragg-Beugungsgitter. Der Referenzstrahl 4 wird an diesem Gitter beim Hin- und Rücklauf gebeugt und erfährt dabei gleichzeitig eine Doppler-Verschiebung der Lichtfrequenz um einen Betrag Δv. Auch andere, dem Stand der Technik entsprechende Methoden zur Frequenzverschiebung des Referenzlichtbündels, beispielsweise elektrooptische, können eingesetzt werden. Ferner kann die Einrichtung zur Frequenzverschiebung anstatt im Referenzstrahl 4 auch im Meßstrahl 6 angeordnet sein kann.
Der Meßstrahl 6 trifft zunächst auf das Scanning-Spiegelpaar 7' und 7'', deren Drehachsen zueinander normal liegen. Das gemeinsame Drehzentrum 10 des Scanning-Spiegelpaars 7' und 7'' wird gemäß der Erfindung in der Brennebene 22 der Fokussieroptik 8, beispielsweise im Brennpunkt 21 angeordnet. Dann erhält man einen objektseitig telezentrischen Strahlengang. Das parallele Meßstrahlenbündel 6 wird nun von der Fokussieroptik 8 in der objektseitigen Brennebene 22' fokussiert, was in der durch drei zeitlich hintereinander liegende Strahlpositionen 6', 6'' und 6''' angedeutet ist. Hier sind alle optischen Längen von dem Brennpunkt 21 zur objektseitigen Brennebene 22' gleich groß. Es kommt daher bei der Abtastung einer ebenen Fläche – hier der Brennebene 22' – zu keiner Veränderung der optischen Weglänge im Meßstrahl 6 und auch zu keiner zusätzlichen Frequenzmodulation des Interferometersignals. In der Anordnung nach liegt die Oberfläche 23' des Objekts 23 in der Brennebene 22'. Mit Hilfe des Scanning-Spiegelpaars 7' und 7'' tastet man also nun einen ebenen Bereich an der Oberfläche 23' ab.
Am Interferometerausgang interferiert das frequenzverschobene Referenzlicht mit dem vom Objekt remittierten Meßlicht. Die resultierende Intensität oszilliert nun mit der Frequenz Δv, was eine Bandpaßfilterung ermöglicht. Dabei muß noch berücksichtig werden, daß, wegen der Verwendung einer Lichtquelle mit kleiner Zeitkohärenz, nur jene Lichtanteile aus dem Referenzstrahl und dem Meßstrahl interferenzfähig sind, die – innerhalb der Kohärenzlänge – gleiche optische Weglängen zurückgelegt haben. Es muß daher die optische Weglänge vom Strahlteiler 3 zur abzubildenden Ebene 23' und zurück zum Strahlteiler 3 gleich groß sein, wie die optische Weglänge vorn Strahlteiler 3 zum Referenzspiegel 5 und zurück zum Strahlteiler 3. Die Position des Referenzspiegels 5 im Referenzstrahlengang bestimmt somit die z-Position derjenigen Ebene 23', die abgebildet wird. Um andere Objektebenen abzubilden, verschiebt man entweder das Objekt 23 in Strahlrichtung oder man verschiebt den Referenzspiegel 5, beispielsweise in die Position 5'; nun wird die Objektebene 23'' abgebildet.
Verschiebt man bloß den Referenzspiegel 5, um andere Objektebenen, wie beispielweise die Ebene 23'' abzubilden, verschlechtert sich die Transversalauflösung, weil der Meßlichtstrahl nicht in der Ebene 23'' fokussiert wird, sondern in der Ebene 23'. Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann man die Fokussieroptik 8 als Zoom-Optik 25 ausbilden. Verändert man nun die Brennweite der Zoom-Optik 25 – bei festbleibendem Fokus 21 – können ebene transversale Tomogramme hoher Auflösung aus verschiedenen Objektebenen gewonnen werden, ohne das Objekt zu verschieben. Dies ist in der dargestellt. Gegenüber der Anordnung nach hat die Zoom-Optik 25 in dem in der dargestellten Beispiel nun eine größere Brennweite als die Fokussieroptik 8. Entsprechend wird nun eine tiefer im Objekt 23 liegende Ebene 23'' abgebildet. Gleichzeitig muß natürlich der Referenzspiegel 5 zum Abgleich der Weglängen in Referenz- und Meßstrahl in die entsprechende Position 5'' verschoben werden.
Durch eine weitere Modifizierung kann man auch transversale Tomographien unter beliebigen Winkeln gewinnen. Dies ist in der Anordnung nach dargestellt. Rückt man das Drehzentrum 10 des Scanning-Spiegelpaars 7' und 7'' aus der optischen Achse 26 der Fokussieroptik 8 heraus – und bleibt damit in der Brennebene 22 – werden entsprechend geneigte Schnittebenen 27 oder 27' abgebildet.

Claims

Verfahren zur transversalen ebenen optischen Kurzkohärenz-Tomographie durch Abtastung des Objekts mittels eines Messstrahls, der in einer Interferometer-Anordnung mit einem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht wird, der Abtaststrahlengang nach einer Fokussieroptik auf der Seite des abzutastenden Objekts telezentrisch verläuft und ebene tomographische Abbildungen ohne zusätzliche, durch die Abtastung bedingte, Frequenzmodulation des Interferometer-Ausgangssignals erreicht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der abtastende Messstrahl von einer Zoom-Optik auf das Objekt fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtastung Scanning-Spiegel benutzten werden, die in der Brennebene außerhalb der optischen Achse der Fokussieroptik angeordnet werden.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, bei der die zur Abtastung benutzten Scanning-Spiegel (7' und 7'') im Brennpunkt (10) jener Fokussieroptik (8) angebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (25), die den abtastenden Messstrahl (6) auf das Objekt fokussiert, als Zoom-Optik ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abtastung benutzten Scanning-Spiegel (7' und 7'') in der Brennebene (22) außerhalb der optischen Achse jener Fokussieroptik (8 oder 25) angeordnet sind, die den abtastenden Messstrahl (6) auf das Objekt fokussiert.