DE4326144C1 - Anordnung zur Erfassung und Vermessung des Abstandes von Schichten und Strukturen - Google Patents

Description

Es ist bereits bekannt (WO 92/19930), Proben mit Strahlung geringer Kohärenzlänge zu beaufschlagen. Die von der Probe reflektierte Strahlung wird über eine interferometrische Meßanordnung mit einer Referenzstrahlung, die von einem im Referenzstrahlengang angeordneten Reflektor stammt, zur Interferenz gebracht.

Die bei Variation des zu untersuchenden Probenabschnitts in mehreren Koordinaten entstehende Intensitätsverteilung wird über eine Detektoranordnung in elektrische Signale umgewandelt und aufgezeichnet.

Die aufgezeichneten Informationen dienen der berührungslosen, hochauflösenden Erfassung der Struktur von Schichten oder Abschnitten oder anderer Materialien.

Bei der Untersuchung von lebendem biologischen Gewebe des menschlichen Auges, ist es dabei von Nachteil, daß eine Referenzfläche Verwendung findet, die außerhalb des Auges liegt, weil durch unwillkürliche Bewegungen des Patienten und damit verbundene Abstandsänderungen zum Meßgerät der gewünschte Fokalbereich verlassen wird. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Meßsystems herabgesetzt.

Aus der DE-PS 32 01 801 ist es in diesem Zusammenhang bekannt, das von einer ersten Grenzfläche des Auges reflektierte Licht einer Lichtquelle kurzer Kohärenzlänge mit dem von einer weiteren Grenzfläche reflektierten Licht über eine interferometrische Anordnung in einem Beobachtungsstrahlengang zu vereinigen, wobei über einen verschiebbaren Spiegel die optischen Wegstreckendifferenz zwischen den reflektierten Lichtanteilen kompensiert wird.

Die Verschiebung des Spiegels ist hierbei das Maß für den Abstand der untersuchten Grenzflächen.

Es wird jeweils nur ein Punkt auf der Netzhaut betrachtet, für den eine Abstandsmessung erfolgt.

In "Investigative ophthalmology & visual science vol. 32, 3/1991 S. 616-624 wird für dieses Verfahren ein elektronisches Auswertesystem beschrieben.

In DE 42 10 38 A1 ist ein Meßstrahlengang im Auge vorgesehen, der auf den Augenhintergrund fällt, wobei die Amplitude der Phasenmodulation eines Interferenzbildes gemessen wird, das aus der Überlagerung der Reflexe von intraokularen Strukturen entsteht, deren relative Position zueinander bestimmt werden soll.

Unterschiedliche Punkte am Augenhintergrund werden durch Abtastung, z. B. mit Hilfe eines Taumelspiegels, bestimmt.

Um sämtliche zu erwartenden Augenlängen abdecken zu können, ist eine ausreichende, große Kohärenzlänge erforderlich. Die Referenzfläche liegt außerhalb des Auges. Eine Vorrichtung zur Einstellung der Armlängendifferenz des Interferometers, wie in DE 3201801, ist nicht vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Meßanordnung zu realisieren, deren Ergebnisse in erster Näherung unempfindlich gegen Patientenbewegungen im Meßbereich sind, wobei die Meßzeit möglichst gering zu halten ist, und dennoch ein Maximum von verfügbaren Informationen zu erzielen.

Die Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Erfindung wird bewirkt, daß durch mehrfache Bestimmung der Abstände zwischen verschiedenen Grenzflächen oder Strukturen im Auge in mehreren Teilstrahlengängen eine deutliche Meßzeitverkürzung auftritt, um z. B. zu vermeiden, daß der Patient während der Meßdauer blinzelt. Die Auswertung der jeweils gewonnenen Intensitätsverläufe erfolgt dabei automatisch über den Meßkanälen zugeordnete fotoelektrische Empfänger, die mit ihrer Auswerteeinheit verbunden sind.

Für den Verschiebebereich des die optische Weglängendifferenz kompensierenden Elementes wird für jeden Teilstrahlengang die zugehörige Intensitätsverteilung aufgezeichnet, wobei durch Wahl der entsprechend geringen Kohärenzlänge die Meßgenauigkeit festgelegt wird.

Durch Verwendung eines Abtastsystems mit telezentrischen Strahlengang wird die Abtastung größerer und frei wählbarer Bereiche des Auges ermöglicht.

Das Abtastsystem kann hierbei zwischen der Beleuchtungsoptik und dem Strahlteiler angeordnet sein, aber auch für sich allein Verwendung finden.

Es ist auch denkbar, das Abtastsystem nur auf bestimmte Teilstrahlengänge wirken zu lassen.

Für die Abtastung größerer Bereiche des Auges können einzelne Elemente als schnell verschwenkbare Spiegel oder drehbare Prismen ausgebildet sein und so ein - oder zweidimensionales scanning ermöglichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 Den schematischen Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 2 Die Seitenansicht einer Mikrooptik zur Übertragung der Teilstrahlengänge

Fig. 3 Die Rückseite der Mikrooptik mit einer Ausführungsform der Lichtdurchtrittsöffnungen

Fig. 4 Den schematischen Strahlenverlauf eines auf der Hornhaut auftreffenden und vom Augenhintergrund reflektierten Teilstrahlenbündels

Fig. 5 Einen Querschnitt durch das Lichtbündel entlang der Schnittebene A-B

Fig. 6 Eine andere Ausführungsform des Strahlquerschnittes entlang der Schnittlinie A-B

Fig. 7 Eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem durch einen Spiegelscanner erzeugten verschiebbaren Strahlengang.

Das Licht einer Lichtquelle 1 gelangt über einen Kollimator 1a, einen Teilerspiegel 2, einen verschiebbaren Reflektor 3 und einen Polteiler 4 sowie eine unter 45° gedrehte ^λ/₄-Platte 5 auf eine Mikrooptik 6 erzeugt mehrere in sich parallele Beleuchtungsstrahlenbündel 9′, 9′′, 9′′′, die vom Auge auf den Augenhintergrund 10 an verschiedenen Stellen fokussiert werden. Das Licht der Lichtquelle gelangt gleichzeitig über einen Reflektor 8, den Strahlenteiler 2 und Polteiler 4, ^g/₄-Platte 5 sowie die Mikrooptik 6 auf das Auge 7.

Die lineare Polarisation der Lichtquelle 1 ist so gewählt, daß sie möglichst vollständig vom Polteiler 4 auf das Auge reflektiert wird. Das vom Auge zurückgeworfene Licht hat aufgrund des zweimaligen Durchlaufes der ^λ/₄-Platte 5 eine um 90° gedrehte Polarisationsrichtung, so daß es den Polteiler 4 in Richtung der Detektoren 12 nahezu ungeschwächt durchläuft.

Bei Vertauschen der Position von Interferometeranordnung und Detektoranordnung muß die Polarisation der Lichtquelle 1 um 90° verändert werden.

Die Strahlenbündel 9′, 9′′, 9′′′ werden teilweise an der Hornhaut und teilweise am Augenhintergrund reflektiert. Die reflektierte Strahlung gelangt über die Mikrooptik 6, die ^λ/₄-Platte 5, den Polteiler 4 sowie eine Relaisoptik 11 auf Detektoren 12, die über eine Auswerteeinheit 13 mit einem Rechner PC14 verbunden sind.

Die Reflektoren 8 und 3 bilden mit dem Strahlteiler 2 die Arme eines Interferometers I. Der Reflektor 3 ist zur Veränderung der optischen Weglänge zwischen den Interferometerarmen entlang der optischen Achse verschiebbar ausgebildet, wobei der Verschiebeweg und die momentane Stellung von der Auswerteeinheit 13 erfaßt werden.

In einer ersten Arbeitsstellung, die in etwa der dargestellten Stellung des Reflektors 3 entspricht, ist zwischen den Armen des Interferometers I eine Weglängendifferenz eingestellt, die der kleinste zu messende optischen Weglängendifferenz zwischen den von der Augenhornhaut und den vom Augenhintergrund in Richtung der Detektoren 12 reflektierte Teilstrahlenbündel 9 entspricht.

Der Reflektor 3 wird nunmehr in eine zweite Meßstellung verschoben, die der größten zu messenden optischen Weglängendifferenz entspricht.

Während der Verschiebung des Reflektors verändert sich die Intensität der von den Detektoren 12 erfaßten Teilstrahlenbündel 9.

Für eine reflektierende Einzelschicht am Augenhintergrund ergibt sich ein maximales Signal, wenn die Weglängendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen, die an der Hornhaut sowie der Einzelschicht reflektiert werden, gleich der momentan eingestellten Weglängendifferenz am Interferometer ist.

In der Umgebung der entsprechenden Stellung des Reflektors 3 oszilliert das Signal am zugehörigen Detektor 12 aufgrund des Durchfahrens von Interferenzmaxima und Minima. Dabei klingt die Amplitude dieser Oszillation aufgrund der kurzen Kohärenzlänge der Lichtquelle 1 rasch ab.

Die zum Maximum der Amplitude gehörige Stellung des Reflektors 3 wird der optischen Weglänge von der Einzelschicht zur Hornhaut zugeordnet.

Wird Licht von mehreren benachbarten Schichten zurückgeworfen, so interferieren sämtliche Reflexionsbeiträge aus den verschiedenen Tiefen des Augenhintergrundes.

Die Unterscheidbarkeit benachbarter Schichten ist gegeben, wenn die Kohärenzlänge der Lichtquelle 1 kleiner als der doppelte Abstand zwischen diesen Schichten ist.

Aus den von den einzelnen Detektoren 12 aufgenommenen Intensitätsverlauf wird die Amplitude der Interferenzsignale für jeden Teilstrahlengang 9′, 9′′, 9′′′ als Funktion der Verschiebung des Reflektors 3 ermittelt und aufgezeichnet bzw. im PC14 angezeigt.

Prinzipiell kann die Reihenfolge, in der das Licht die Interferometeranordnung I und das Auge 7 durchläuft, auch vertauscht werden (z. B. gemäß der Anordnung des Patentes DE 3201801). Licht wird hierbei zunächst an den verschiedenen Augenabschnitten reflektiert und durchläuft dann die Interferometerarme, wobei die verschiedenen Reflektionsanteile miteinander zur Referenz gebracht werden.

Der hier beschriebene Aufbau hat jedoch den Vorteil, daß der Strahlengang so lange wie möglich kollimiert ist, so daß beispielsweise auch ein größerer Abstand zwischen Interferometer I und Polteiler 4 ohne zusätzliche Optik ermöglicht wird.

In Fig. 2 ist in einer Seitenansicht die Mikrooptik 6 dargestellt. Sie besteht beispielsweise aus einer transparenten Planplatte 15, auf die Prismen 16, welche eine Strahlenablenkung der Teilstrahlen 9′, 9′′ bewirken, sowie eine weitere Planplatte 17 aufgesetzt sind.

In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Rückseite der Mikrooptik 6 dargestellt. Diese ist bis auf Öffnungen 18 für die Teilstrahlenbündel lichtdurchlässig ausgebildet.

Zur Erfassung weiterer retinaler Bereiche können die Beleuchtungsstrahlengänge in ihrer Lage und Richtung verändert werden, beispielsweise durch eine Relativbewegung zwischen Auge und Meßanordnung, aber auch durch drehbare Anordnung mindestens eines Einzelprismas in der optischen Achse des Auges.

Die interferierenden Teilstrahlen, die an der Hornhaut und am Augenhintergrund reflektiert werden, erzeugen ein Interferenzringsystem, das um den einfallenden Einzelstrahl zentriert ist, der senkrecht auf die Hornhaut einfällt. Für die Detektion der Interferenz ist es vorteilhaft, das Zentrum des Interferenzringsystems auszuwerten. Dieses muß zu diesem Zweck jedoch sowohl von Licht, das von der Hornhaut, als auch von Licht, das von der Netzhaut reflektiert wird, ausgeleuchtet werden.

Die Tatsache, daß der Krümmungsmittelpunkt der Hornhaut und der Pupillenmittelpunkt PM nicht zusammenfallen, hat zur Folge, daß bei geneigtem Einfall eines Teilstrahlenbündels dessen Mittelstrahl senkrecht auf die Hornhaut fällt, das am Augenhintergrund reflektierte Licht jedoch seitlich versetzt aus dem Auge austritt. Die einfallenden und austretenden Strahlen sind schematisch in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. Daher wird unter Umständen nicht mehr die Mitte des Interferenzmusters ausgeleuchtet. Um diese zu vermeiden, muß entweder der Querschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels, wie in Fig. 5 gezeigt, entsprechend groß gewählt werden, oder es werden, wie in Fig. 6 gezeigt, zwei gegeneinander versetzte Beleuchtungsstrahlen verwendet.

Dies wird beispielsweise durch entsprechende Ausbildung der Öffnungen 18 auf der Rückseite der Mikrooptik 6 realisiert.

In Fig. 7 ist vereinfacht das Interferometer I gemäß Fig. 1 dargestellt, das die Lichtquelle 1 enthalten soll. Das Licht gelangt über den Polteiler 4 auf einen Scanspiegel 19, der in einer oder zwei Richtungen, über eine Antriebseinheit 20 angesteuert, schwenkbar ausgebildet ist. Ein telezentrisches Abbildungssystem sowie die ^λ/₄-Platte 5 bilden den Auftreffpunkt der vom Interferometer I kommenden Strahlung auf dem Spiegel 19 auf den Krümmungsmittelpunkt des Auges 7 ab.

Bei ausreichendem Strahlquerschnitt hat diese Anordnung zur Folge, daß das über eine Linse 22 sowie eine zu einem nicht dargestellten Detektor führende Lichtleitfaser 23 gelangende Lichtbündel jeweils dem Signal aus dem Zentrum des Interferenzmusters für den ausgeleuchteten Punkt des Augenhintergrundes entspricht.

Durch Verschwenken des Spiegels 19 werden unterschiedliche Stellen des Augenhintergrundes der Messung zugänglich gemacht. Für jede Stelle kann durch Verschieben des Reflektors 3 am Interferometer I die Intensitätsverteilung ermittelt werden.

Die Interferenzoszillationen auf den Detektoren 12 können auch als Folge des Doppeleffektes, der durch Verschieben des Reflektors 3 auftritt, betrachtet werden.

Möchte man ihre Frequenz erhöhen, um in einen Bereich geringen Rauschens zu gelangen, so ist das über die Erhöhung der Verfahrensgeschwindigkeit des Reflektors 3 möglich. Dies ist aber nicht immer erwünscht, da sich dabei gleichzeitig die Zeit verkürzt, während derer das Licht aus einer bestimmten Tiefenschicht zum Signal beiträgt. Deshalb kann es vorteilhaft sein, in einem der Arme des Interferometers eine Vorrichtung vorzusehen, die eine Frequenzverschiebung des aus diesem Arm reflektierten Lichtes auch bei Stillstand des Reflektors erzeugt. Zu diesem Zweck kann in einem Arm des Interferometers ein zusätzlicher Modulator, beispielsweise ein elektrooptischer Modulator EOM oder ein akustropischer Modulator AOM, vorgesehen sein.

Claims (24)

1. Anordnung zur Erfassung und Vermessung des Abstandes von Schichten und Strukturen, insbesondere im menschlichen Auge, enthaltend eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Auges mit Licht geringerer Kohärenzlänge und eine interferometrische Meßanordnung mit Mitteln zur meßbaren Verstellung der optischen Weglängendifferenz, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Auge und interferometrischer Meßanordnung ein optisches System zur Erzeugung mehrerer, auf unterschiedliche Bereiche der Retina gerichteter, in sich paralleler Beleuchtungsteilstrahlengänge vorgesehen ist und mittels der Interferometeranordnung sowie einer mit einer Auswerteeinheit verbundenen fotoelektrischen Empfängeranordnung für jeden Beleuchtungsteilstrahlengang eine Bestimmung der Intensität der von verschiedenen Schichten und Strukturen reflektierten und überlagerten Strahlung in Abhängigkeit von der Verstellung der optischen Weglängendifferenz erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsteilstrahlengänge gleichzeitig über eine Abbildungsoptik erzeugt werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsteilstrahlengänge nacheinander durch Verschiebung mindestens eines Teilstrahlbündels erzeugt werden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung des Auges über die interferometrische Meßanordnung erfolgt und über einen Strahlenteiler die reflektierten Teilstrahlengänge auf die fotoelektrische Empfängeranordnung übertragen werden.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Auge beleuchtet wird und die von verschiedenen Schichten und Strukturen reflektierten Teilstrahlengänge anschließend die interferometrische Meßanordnung durchlaufen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Intensität für jeden Teilstrahlengang ein separater fotoelektrischer Empfänger vorgesehen ist, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur meßbaren Verstellung der optischen Weglängendifferenz in einem Zweig der interferometrischen Meßanordnung ein verschiebbarer Spiegel vorgesehen ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der optischen Weglängendifferenz ein verschiebbarer Retroreflektor vorgesehen ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung weiterer retinaler Bereiche die Beleuchtungsteilstrahlengänge in ihrer Lage und Richtung veränderbar sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Relativbewegung zwischen Auge und Meßanordnung.

11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Drehung der Meßanordnung um einen im Augeninneren angeordneten Drehpunkt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Drehpunkt im Bereich zwischen Hornhautmittelpunkt und Pupillenmitte liegt.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Erzeugung der Teilstrahlengänge aus mehreren Prismen besteht, die den Beleuchtungsstrahlengang in Teilstrahlengänge aufspalten.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einer Planplatte bestehende Mikrooptik vorgesehen ist, auf der die Prismen angeordnet sind.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die den Prismen abgewandte Seite der Planplatte definierte Lichtdurchtrittsöffnungen für die Teilstrahlengänge aufweist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Prismen drehbar angeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse parallel zur optischen Achse des Auges liegt.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung reflektierten Lichtes der Beleuchtungsteilstrahlengänge auf die fotoelektrische Empfängeranordnung eine Übertragungsoptik vorgesehen ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsoptik aus einer Anzahl in einer Ebene angeordneter Einzellinsen besteht.

20. Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung auf die fotoelektrische Empfängeranordnung über eine Lichtleitfaseranordnung erfolgt.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System mindestens einen im Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Spiegel enthält, wobei durch eine Zusatzoptik ein telezentrischer Strahlengang zwischen Spiegel und Auge realisiert wird.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel zur Veränderung der Lage des Beleuchtungsteilstrahlenganges schwenkbar angeordnet ist.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch schnelle Schwenkung des Spiegels in mindestens einer Richtung in jeder Stellung des die optische Weglänge verändernden Mittels eine Erfassung des Intensitätsverlaufes entlang des Schwenkbereiches erfolgt.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einem Interferometerarm eine Einrichtung zur Frequenzmodulation vorgesehen ist.