DE60031786T2

DE60031786T2 - Optischer interferometersensorarray

Info

Publication number: DE60031786T2
Application number: DE60031786T
Authority: DE
Inventors: Paul Beard; Timothy Noel Mills
Original assignee: University College London
Current assignee: University College London
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: EP1218734B1; DE60031786D1; WO2001020318A1; GB9921970D0; ATE344926T1; US7095505B1; ES2275547T3; AU7431200A; EP1218734A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Interferometersensor, insbesondere auf einen Interferometersensor zum Erfassen eines auftreffenden akustischen Signalmusters über einen zweidimensionalen Bereich hinweg, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für biomedizinische Ultraschall-Erfassungsanwendungen.
Zeitaufgelöste photoakustische Techniken, die die Anregung einer Probe unter Verwendung von Subablationsschwelle-Laseranregungspulsen beinhalten, wobei die Anregung der Probe zur Erzeugung von thermoelastischen Ultraschallwellen führt, sind hinreichend bekannt. Die Amplituden- und zeitlichen Charakteristika dieser Wellen hängen von den optischen, thermischen, akustischen und anderen physikalischen Eigenschaften der Probe ab und können dazu verwendet werden, Informationen bezüglich ihrer Zusammensetzung und Struktur zu liefern.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, die Analyse dieser thermoelastischen Ultraschallwellen zu ermöglichen, wobei jedes derselben Ultraschall-Detektoren verwendet, die auf der Oberfläche der in der Analyse befindlichen Probe angeordnet sind. Beispielsweise beinhaltet ein tomographisches Bilderzeugen die Verwendung von Detektoren, die um die Peripherie der Probe angeordnet sind, und ein Rekonstruktionsalgorithmus ermöglicht, dass ein Scheibenbild erzeugt wird. Um ein dreidimensionales Bild der Probe zu erzeugen, muss eine große Anzahl von Scheibenbildern erhalten werden. Dies erfordert entweder eine große Anzahl diskreter Erfassungseinrichtungen, die über die gesamte Oberfläche des Objekts hinweg positioniert sind, oder andernfalls ein Umpositionieren von Sensoren zwischen jeder Scheibenbildgewinnung. Überdies ist die Verarbeitung, die erforderlich ist, um das abschließende dreidimensionale Bild zu rekonstruieren, komplex.
Alternativ dazu kann ein zweidimensionaler Sensor verwendet werden, der das akustische Signal an jedem Punkt über die Oberfläche der Probe hinweg räumlich auflöst, um ein Volumenbild zu erhalten.
Sichtliniensensoren stützen sich auf die Annahme, dass photoakustische Signale, die an einzelnen Sensorelementen erfasst werden, von einem Probenmaterial entlang der „Sichtlinie" des Sensorelements stammen. Selbstverständlich sind, wenn sinnvolle Eindringtiefen erforderlich sind, stark richtungsabhängige Sensorelemente erforderlich, die eine große Apertur aufweisen, und somit ist die laterale Auflösung gering. Die lateralen Abmessungen des Bildes sind auf die Stellfläche des Sensors beschränkt, der verwendet wird, infolge der stark richtungsabhängigen Sensorelemente.
Phasengesteuertes-Array-Sensoren stützen sich auf kleine, in alle Richtungen gerichtete Sensorelemente und wenden synthetische Fokussierungstechniken auf den Bilddatensatz an, um jeden Punkt in dem bestrahlten Volumen abzufragen. Diese Art eines „Strahllenkungs"-Lösungsansatzes ermöglicht, dass Signale von unterhalb einer Oberfläche befindlichen Objekten, die sich außerhalb der Stellfläche des Sensors befinden, empfangen werden.
Eine Schwierigkeit beim Implementieren dieser Verfahren für biomedizinische akustische Bilderzeugungsanwendungen ist das Erfordernis eines hochauflösenden zweidimensionalen Arrays von akustischen Sensoren. Herkömmliche Sensorelemente umfassen piezoelektrische Druckerfassungselemente. Schwierigkeiten entstehen beim Erhalten der erforderlichen kleinen Elementgröße und des erforderlichen geringen Elementabstands für eine eindeutige Hochauflösungs-Strahllenkung mit ausreichender Erfassungssensibilität.
Der Artikel „Optical multilayer detection array for fast ultrasonic field mapping" von V. Wilkens und Ch. Kock in Optics Letters Vol. 24, Nr. 15, 1. August 1999, beschreibt ein Erfassungsarray, bei dem ein akustisches Signal über einen zweidimensionalen Bereich der Oberfläche der in der Analyse befindlichen Probe unter Verwendung von Interferometerprinzipien erfasst wird. Die an der Oberfläche der Probe auftretenden Drucksignale werden zum Zweck einer Erfassung durch einen fernen Photodetektor oder ein Photodetektorarray in optische Signale umgewandelt. Diese Umwandlung wird durch eine Interferometervorrichtung durchgeführt, die eine 19-schichtige dielektrische Struktur umfasst, die über ein Substrat aufgebracht ist und an die ein Abfragesignal angelegt wird. Diese dielektrische Struktur fungiert als Paar von Spiegeloberflächen, die eine geringe Beabstandung zwischen denselben aufweisen. Die dielektrischen Schichten sind relativ hart, wobei sie einen Youngschen Modul im Bereich von 70 bis 100 GPa aufweisen, und die dielektrische Struktur ist dahin gehend angeordnet, die Vorrichtung zu befähigen, für eine relativ schmale Bandbreite von Signalen zur Erfassung in einem Betriebsmodus mit hoher Feinheit zu arbeiten.
In „Extrinsic optical-fibre ultrasound sensor using a thin polymer film as a low-finesse Fabry-Perot interferometer" offenbaren Beard und Mills einen Optische-Faser-Sensor mit einem dünnen transparenten Polymerfilm als dem Ende der optischen Faser zum Erfassen von Ultraschall.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Interferometersensor gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Der Sensor der Erfindung wandelt Ultraschallsignale, die über eine zweidimensionale Oberfläche hinweg auftreten, unter Verwendung eines Polymer-Interferometer-Erfassungsfilms in ein optisches Signalmuster um. Örtlich begrenzte Schwankungen der Dicke des Erfassungsfilms, die dadurch bewirkt werden, dass das Ultraschallsignalmuster gemessen wird, modulieren die Ausgänge des Sensorkopfes. Eine räumliche Diskretisierung des Ultraschallsignalmusters wird durch eine optische Erfassungsvorrichtung durchgeführt. Derartige optische Vorrichtungen können dahin gehend angeordnet sein, eine ausreichend hohe Auflösung aufzuweisen, um zu ermöglichen, dass eine Strahllenkungsbilderzeugung durchgeführt wird, einschließlich einer Bilderzeugung außerhalb der Stellfläche des Sensorkopfes. Die Verwendung eines Polymerfilm-Interferometersensors führt zu einer hohen Sensibilität und kann ermöglichen, dass ein Betriebsmodus mit geringer Feinheit für eine Bildgewinnung und -verarbeitung ausreichend ist. Ein Betrieb mit geringer Feinheit führt zu einer verbesserten Bandbreite und Ansprechlinearität.
Vorzugsweise umfasst die optische Erfassungsvorrichtung ein zweidimensionales Photodetektorarray. Bei einem alternativen Beispiel umfasst das Photoerfassungselement eine Photodiode oder ein Photodiodenarray einer geringeren Größe, die der Fläche des Sensorkopfes, dahin gehend angeordnet, den Ausgang aus dem Sensorkopf über dessen Bereich hinweg abzutasten.
Der Polymerfilm weist vorzugsweise eine Dicke von mehr als 5 μm auf. Die Dicke ist so groß wie möglich gewählt, um die Sensibilität zu verbessern, jedoch mit der Einschränkung, dass die Dicke unterhalb der Wellenlänge des zu erfassenden Signals bleiben sollte. Beispielsweise weisen akustische Signale von 20 MHz in Wasser eine ungefähre Wellenlänge von 70 μm auf (wobei die Schallgeschwindigkeit in Frischwasser bei 1.410 m/s angenommen wird). Demgemäß kann der Polymererfassungsfilm eine Dicke im Bereich zwischen 30 μm und 60 μm aufweisen.
Der Polymerfilm weist vorzugsweise einen Youngschen Modul von weniger als 15 GPa auf, um die Sensibilität des Films bezüglich des auftretenden akustischen Signals zu verbessern. Der Polymerfilm umfasst vorzugsweise eine einschichtige Polymerstruktur, die direkt auf das Substrat aufgebracht ist.
Die Abfragesignalquelle kann eine Kontinuierliche-Welle-Abfragelaserquelle umfassen. Eine Anregungsquelle kann ebenfalls vorgesehen sein, um ein Anregungssignal, beispielsweise Laseranregungspulse, an eine Probe zur Analyse durch den Sensorkopf zu liefern.
Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Herstellen des Interferometersensors der Erfindung vor, das den Schritt des Bildens eines Polymererfassungsfilms, indem ein flüssiges Polymer mittels Schleuderbeschichtung auf ein transparentes Substrat aufgebracht wird, umfasst. Ein alternatives Verfahren umfasst ein thermisches Aufdampfen eines Polymers auf die Oberfläche eines transparenten Substrats; ein Kondensieren des Polymers zu einer Flüssigphase; und ein Härten des Flüssigphasenpolymers unter Verwendung einer Strahlungsquelle, wodurch ein fester Polymerfilm auf dem Substrat gebildet wird. In diesem Fall kann eine Strahlungsquelle verwendet werden, um das Flüssigphasenpolymer zu härten, beispielsweise eine ultraviolette Lichtquelle oder ein Elektronenstrahl, obwohl auch andere Härtungsprozesse möglich sind.
Diese Verfahren ermöglichen jeweils eine Aufbringung des Polymerfilms direkt auf das Substrat und vermeiden dadurch das Erfordernis von Haftmitteln, die die optische Leistungsfähigkeit des Interferometers beeinflussen können. Die Verfahren ermöglichen eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einem Vergleichsbeispiel;
2 eine Ausdehnungsstrahl-Linsenanordnung zum Verbessern der Auflösung des Sensors;
3 eine Divergierender-Strahl-Linsenanordnung zum Variieren der Feinheit des Sensors; und
4 eine Anordnung gemäß der Erfindung zum Abstimmen der Phasenabweichung des Films.
Wie in 1 gezeigt ist, weist der Interferometersensor einen Sensorkopf 1 auf, der einen Polymererfassungsfilm 2 umfasst, der durch ein transparentes Substrat 4 getragen wird. Der Sensorkopf überspannt einen zweidimensionalen Bereich und empfängt ein optisches Ebene-Welle-Abfragesignal. Es wird ein modulierter reflektierter Ausgang bereitgestellt, der in Abhängigkeit von örtlich begrenzten Schwankungen der Dicke des Polymerfilms, die aus auftretenden akustischen Signalen von der in der Analyse befindlichen Probe resultieren, über den Bereich des Signals hinweg variiert.
Ein erster und ein zweiter Strahlteiler 6 und 8 sind zur Lieferung von Signalen an den und von dem Sensorkopf 1 vorgesehen. Einer der Strahlteiler reflektiert ein Probenuntersuchungssignal von einer Signalquelle zu dem Sensorkopf, und dieses Signal verläuft durch den Kopf 1 in die Probe.
Das Probenuntersuchungssignal kann Laseranregungspulse zur Bestrahlung eines Volumens der Probe, um die Probe anzuregen, thermoelastische Ultraschallwellen zur Erfassung zu erzeugen, umfassen. In diesem Fall umfasst die Signalquelle eine gepulste Laserquelle, und der Strahlteiler 6 kann dann einen dichroitischen Spiegel umfassen, der die Anregungswellenlänge reflektiert, der jedoch bei der Wellenlänge des Abfragesignals sendet (nachstehend erörtert).
Alternativ dazu kann das Eingangssignal ein Ultraschallsignal für eine Ultraschallbilderzeugung auf der Basis der Erfassung von akustischen Echos an unter einer Oberfläche liegenden Merkmalen dort, wo eine akustische Nichtüberein stimmung vorliegt, umfassen. In diesem Fall kann die Signalquelle einen piezoelektrischen Wandler umfassen, und der Strahlteiler 6 kann dann eine Glasplatte umfassen, die als guter akustischer Reflektor in Wasser agiert und für das Abfragesignal transparent ist (nachstehend erörtert). Die Ultraschallquelle wird dann akustisch mit dem Sensor gekoppelt, indem die Signalquelle, der Strahlteiler 6 und der Sensorkopf in Wasser vorliegen.
Der andere Strahlteiler 8 reflektiert ein Abfragesignal von einer Abfragesignalquelle zu dem Sensorkopf 1. Eine zweidimensionale optische Erfassungsvorrichtung in Form eines Photodiodenarrays 16 ist an einer von dem Sensorkopf 1 entfernten Position vorgesehen und empfängt phasenmodulierte reflektierte Abfragesignale von dem Sensorkopf 1. Wie oben erläutert wurde, wird die räumliche Diskretisierung des akustischen Signals aus dem Grund, dass die Position des Photodetektorarrays von dem Sensorkopf entfernt ist, an dieser entfernten Position optisch implementiert.
Der Sensorkopf umfasst einen Polymerfilm 2, der auf das optisch transparente Substrat 4 aufgebracht ist, das eine abgestimmte akustische Impedanz aufweist, um akustische Reflexionen zu minimieren. Die akustische Impedanz der Polymerschicht kann auch dahin gehend ausgewählt sein, dem Medium, in dem der Sensor arbeiten soll, normalerweise Wasser, zu entsprechen. Die Dicke des Films 2 ist möglichst groß ausgewählt, um die Sensibilität zu verbessern, jedoch mit der Einschränkung, dass die Dicke unterhalb der Wellenlänge des zu erfassenden Signals bleiben sollte. Bei biomedizinischen photoakustischen Bilderzeugungstechniken sollen Signalfrequenzen von etwa 30 MHz erfasst werden, die eine ungefähre Wellenlänge von 47 μm aufweisen. Die Filmdicke sollte geringer sein als die Wellenlänge des zu erfassenden Signals, um eine ausreichende akustische Bandbreite zu erzielen. Somit kann die Filmdicke in der Größenordnung von 40 μm liegen, obwohl die Dicke gemäß der spezifischen Anwendung ausgewählt sein kann. Der Polymerfilm weist vor zugsweise einen Youngschen Modul von weniger als 15 GPa auf, um die Sensibilität des Films bezüglich des ankommenden akustischen Signals zu verbessern, und er umfasst eine einschichtige Polymerstruktur, die direkt auf das Substrat aufgebracht ist.
Bei der Verwendung des in 1 dargestellten Beispiels, das eine Laseranregung der Probe liefert, werden im Nanosekundenbereich liegende Anregungslaserpulse von einer auf Wellenlängen abstimmbaren Quelle (nicht gezeigt) durch den Sensorkopf 1 zu der Probe 14 transmittiert. Die Struktur des Sensorkopfes ist dahin gehend entworfen, für die Anregungspulse transparent zu sein, um zu ermöglichen, dass diese in die Probe gelangen. Der Sensorkopf 1 wird durch die Ausgabe einer abstimmbaren Kontinuierliche-Welle-Abfragelaserquelle (nicht gezeigt) beleuchtet, die dahin gehend angeordnet ist, Abfragesignale 12 an die Probe zu liefern. Der Polymererfassungsfilm 2 fungiert als zweidimensionales Fabry-Perot-Interferometer, dessen Spiegel an den gegenüberliegenden Seiten des Polymerfilms gebildet sind.
Die Reflexionen können einfach infolge der Brechungsindex-Nichtübereinstimmung an den zwei Seiten des Films erhalten werden. Wellenlängenselektive dielektrische reflektierende Beschichtungen oder Filme können während der Herstellung des Sensorkopfes 1 aufgebracht werden und sind dahin gehend entworfen, bei der Wellenlänge des Kontinuierliche-Welle-Abfragesignals reflektierend zu sein, jedoch für die Anregungslaserpulse 10, die durch die (nicht gezeigte) Laseranregungsquelle geliefert werden, transparent zu sein, wodurch gewährleistet wird, dass die Anregungspulse in den Sensorkopf eindringen.
Die Anregungslaserpulse bewirken die Erzeugung photoakustischer Wellen von jedem Punkt in dem bestrahlten Volumen der Probe 14, die anschließend auf den Polymererfassungsfilm 2 auftreffen. Die Probe wird diffus bestrahlt, wenn sie op tisch streut, was bei biologischem Weichgewebe der Fall ist. Die auftreffenden photoakustischen Wellen modulieren die optische Dicke des Polymererfassungsfilms, wodurch sie die reflektierten Abfragelichtsignale 12 modulieren. Das reflektierte Abfragelicht wird anschließend auf das zweidimensionale Photodiodenarray 16 gelenkt, wodurch eine Darstellung des auftretenden akustischen Feldes über den Erfassungsfilm 2 hinweg geliefert wird. In ihrer einfachsten Form liegt eine Eins-Zu-Eins-Abbildung vor, so dass die effektive Größe und Beabstandung akustischer Elemente der Größe und Beabstandung von optischen Pixeln des optischen Photodiodenarrays entspricht.
Der Ausgang des Photodiodenarrays 16 ist mit einem Prozessor 18 gekoppelt, wo er verarbeitet wird, um ein dreidimensionales Bild der untersuchten Probe 14 zu liefern, auf dieselbe Weise wie der Ausgang eines piezoelektrischen Ultraschallerfassungsarrays verarbeitet wird, um eine Sichtlinie- oder Phasengesteuertes-Array-Verarbeitung zu implementieren.
Um eine Sichtlinie-Bilderzeugung durchzuführen, wird der Ausgang von Gruppen der Photodioden in dem Array 16 summiert, um ein Array von richtungsabhängigen Detektorelementen, die photoakustische Signale lediglich entlang ihrer Sichtlinie empfangen, zu synthetisieren. Beispielsweise können Photodiodenelemente, die einen Abstand von 100 μm aufweisen, zusammengruppiert werden, um stark richtungsabhängige Elemente mit einem effektiven Durchmesser von 1 mm zu bilden.
Eine Phasengesteuertes-Array-Verarbeitung kann auch durch ein individuelles Anlegen geeigneter Zeitverzögerungen an jedes Element, um den Empfangsfokus des Arrays 16 synthetisch einzustellen, durchgeführt werden. Dadurch, dass der synthetische Empfangsfokus des phasengesteuerten Arrays durch das bestrahlte Volumen der Probe 14 gelenkt wird, kann aus einem erfassten Datensatz aus einem Einzelschuss- Laseranregungspuls ein dreidimensionales Bild der Probe 14 konstruiert werden. Ferner ist es unter Verwendung von Phasengesteuertes-Array-Strahllenkungsverfahren möglich, ein Bild der Probe außerhalb der Stellfläche des Sensorkopfes zu erhalten.
Der Phasengesteuertes-Array-Lösungsansatz erfordert, dass jedes Element in alle Richtungen gerichtet ist, und somit muss der effektive Durchmesser jedes Elements im Vergleich zu der akustischen Wellenlänge gering sein. Eingangssignale, die in einem Winkel bezüglich der Längsachse in den Sensor eintreten, werden über den effektiven Bereich des Sensors hinweg integriert, und folglich verbessert ein kleinerer effektiver Bereich das Richtungsansprechverhalten des Sensors. Sensorelementgrößen einiger weniger zehn Mikrometer können erwünscht sein, was zum Eins-Zu-Eins-Abbilden des akustischen Signals auf das Photodiodenarray erfordert, dass der Pixeldurchmesser der Photodiodenpixel des Arrays eine entsprechende Größe aufweist. Dies kann die Kosten des optischen Sensors erhöhen oder ihn unpraktisch machen.
Um dieses Problem zu überwinden, kann zwischen dem Sensorkopf 1 und dem Array 16, besonders zwischen dem Strahlteiler 8 und dem Array 16, eine sich optische Ausdehnungsstrahl-Anordnung vorgesehen sein. Wie in 2 dargestellt ist, kann die Ausdehnungsstrahl-Anordnung eine Zerstreuungslinse 20 und eine Konvergenzlinse 22 in Reihe umfassen. Die Zerstreuungslinse 20 ist in dem Pfad des Lichts von dem Strahlteiler 8 vorgesehen, und die Konvergenzlinse ist näher bei dem Array 16 vorgesehen. Die Brennweiten f₂₀, f₂₂ der zwei Linsen sind so ausgewählt, dass die Brennpunkte zusammenfallen, wie gezeigt ist. Dies gewährleistet, dass senkrecht einfallende Strahlen an dem Ausgang der Zerstreuungsanordnung senkrecht bleiben. Die Abbildung ist dann keine Eins-Zu-Eins-Abbildung mehr, und die effektive Größe und Beabstandung des akustischen Elements bzw. der akustischen Elemente kann verringert werden. Auf Grund von akus tischen Kreuzkopplungseffekten gibt es eine Grenze für den kleinsten Bereich des Polymerfilms, der adressiert werden kann, man hat jedoch festgestellt, dass effektive Bereiche von weniger als 50 μm erreicht werden können.
Die Wellenlänge der Anregungspulse kann dahin gehend ausgewählt werden, gewünschte Tiefen-, Bandbreiten- und Kontrastcharakteristika für die jeweilige Anwendung des Sensors zu erhalten. Beispielsweise können Nahe-Infrarot-Wellenlängen tief in eine Probe eindringen, wohingegen eine verbesserte Auflösung bei geringeren Tiefen mit anderen Anregungspulsen erhalten werden kann. Die maximale Tiefe, bei der photoakustische Signale erfasst werden können, ist ein wichtiger Parameter für die praktische Verwendung des Sensors bei der biomedizinischen Bilderzeugung.
Der Sensor kann als Fabry-Perot-Interferometer einer geringen Feinheit arbeiten, und der geringe Youngsche Modul führt zu einer ausreichenden Sensibilität des Sensors. Ein Hohe-Feinheit-Betrieb kann auch durch die Verwendung von dielektrischen Beschichtungen einer geringen Absorption und eines hohen Reflexionsvermögens, die bei der Anregungswellenlänge transmissiv sind, erzielt werden. Der Dynamikbereich verringert sich, wenn ein Betrieb mit hoher Feinheit erzielt wird, um jedoch die obere Erfassungsgrenze zu erhöhen, kann der Grad der Bündelung des Abfragesignals verringert werden, um eine Phasendispersion in dem Interferometer zu erhöhen und die Feinheit zu verringern.
Diese leichte Verringerung der Feinheit kann erzielt werden, indem die Divergenz des auf den Sensorkopf auftreffenden Abfragestrahls erhöht wird. Eine optisch divergierende Linsenanordnung kann zu diesem Zweck zwischen dem Strahlteiler 6 und dem Sensorkopf 4 vorgesehen sein, wie in 3 gezeigt ist. Diese Anordnung kann eine Zerstreuungslinse 24 und eine Konvergenzlinse 26 in Reihe umfassen. Die Zerstreuungslinse 24 ist in dem Pfad des Abfragesignals von dem Strahlteiler 6 vorgesehen, und die Konvergenzlinse ist näher bei dem Sensorkopf 1 vorgesehen. Die Brennweiten f₂₄, f₂₆ und die Beabstandung der zwei Linsen sind so ausgewählt, dass senkrecht einfallende Strahlen dazu gebracht werden, zu divergieren. Der Grad der Bündelung kann dann durch ein Variieren der Beabstandung zwischen den zwei Linsen eingestellt werden.
Der Sensor kann als in der Hand zu haltender Bilderzeugungskopf zur Verwendung, neben anderen Anwendungen, bei der Erfassung von Brustkrebs eingesetzt werden. Bei einer derartigen Vorrichtung kann ein Optische-Faser-Transport der Abfrage- und der reflektierten Signale verwendet werden.
Die Vorrichtung kann auch zur photothermischen Bilderzeugung verwendet werden. Zusätzlich zu einem Erfassen von photoakustischen Ultraschallsignalen, die in dem gesamten bestrahlten Volumen erzeugt werden, könnte das Abklingen der Oberflächentemperaturverteilung, das unmittelbar auf die Absorption des Laserpulses folgt, erfasst werden. Dies kann Informationen über die optischen und thermischen Eigenschaften des Zielobjekts liefern. Eine mögliche Anwendung bestünde darin, das photothermische Ansprechverhalten von Haut zu studieren, um Abnormalitäten wie z.B. bösartige Melanome zu diagnostizieren.
Der Fabry-Perot-Erfassungsfilm muss gute optische und physikalische Eigenschaften aufweisen, um eine Erfassung mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis der Modulation der Sensorfilmdicke, die durch die auftretenden photoakustischen Signale bewirkt wird, zu ermöglichen. Zwei mögliche Beispiele von Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Polymersensorfilms sind eine Schleuderbeschichtung und eine Polymeraufbringung aus einer Gasphase über eine Flüssigphase.
Um den Polymererfassungsfilm mittels Schleuderbeschichtung zu bilden, wird ein Flüssigpolymer wie z.B. Polymethyl methacrylat (PMMA), Polystyren oder Polyimid auf ein Substrat gegossen, wobei das Substrat anschließend auf einem Drehtisch gedreht wird. Das flüssige Polymer wird allgemein dadurch erhalten, dass es in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst wird, das verdampft, um das Polymer zu hinterlassen. Die Zentripetalkräfte, die auf das flüssige Polymer einwirken, bewirken, dass es sich über eine mittige Region des Substrats verteilt und dadurch den Sensorfilm bildet.
Um den Polymererfassungsfilm mittels einer Polymeraufbringung aus einer Gasphase (über eine Flüssigphase) zu bilden, wird eine Massenprobe des zu verwendenden Polymers erwärmt und thermisch auf das Substrat aufgedampft, beispielsweise unter Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung. Der Dampf kondensiert anschließend zu einer Flüssigkeit auf dem Substrat und wird unter Verwendung von ultraviolettem Licht oder eines Elektronenstrahls gehärtet. Dieses Verfahren erzeugt großflächige Fabry-Perot-Erfassungsfilme, die eine hohe Einheitlichkeit aufweisen und die somit für biomedizinische Anwendungen besonders geeignet sind.
PMMA oder PTFE sind Beispiele von geeigneten Polymeren zur Bildung des Films mittels thermischer Verdampfung.
Andere mögliche Prozesse zum Bilden des Polymerfilms sind ein Zerstäuben oder der Parylen-Polymerisationsprozess.
Auch bei in hohem Umfang einheitlichen, konformen Polymerbeschichtungen variiert die optische Dicke des Interferometers über die beleuchtete Region des Polymererfassungsfilms hinweg. Diese Schwankungen können beispielsweise in der Größenordnung von hunderten von Nanometern liegen. Diese können groß genug sein, um bedeutende Schwankungen der Phasenabweichung und somit der Sensibilität über den Film hinweg zu bewirken.
Somit kann es notwendig sein, die Phasenabweichung so einzustellen oder zu steuern, dass jeder Punkt über den Erfas sungsbereich hinweg mit einer maximalen Sensibilität abgefragt werden kann.
Die Phasenabweichung Φ ist durch Folgendes gegeben:
wobei n der Brechungsindex des Polymerfilms ist, 1 die Dicke ist, λ die Lichtquellenwellenlänge ist und θ der Einfallswinkel ist.
Ein Lösungsansatz bezüglich eines Steuerns der Phasenabweichung besteht darin, die Abfragesignalwellenlänge für verschiedene Punkte auf dem Film, beispielsweise durch Verwendung einer abstimmbaren Laserquelle, zu variieren. Eine computergesteuerte, abstimmbare Äußerer-Hohlraum-Laserdiode und eine mechanisch abgetastete Photodiode können verwendet werden, um eine Abbildung der reflektierten Randbereiche über die Oberfläche des Sensors hinweg zu erhalten, um die Schwankung der optischen Dicke auszuwerten. Die Abfrageanforderungen bezüglich Geschwindigkeit und Wellenlänge können dann für jeden Punkt auf dem Array ermittelt werden.
Eine Alternative besteht darin, θ, das als Winkelabstimmung bezeichnet wird, zu variieren. 4 zeigt eine mögliche Implementierung eines Winkelabstimmsystems bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Verändern des Winkels θ_i des Eingangsstrahls von der Laserquelle 28 unter Verwendung eines Winkelabstimmelements 30 führt zu einer entsprechenden Änderung des Winkels θ_o des auf den Sensor einfallenden Lichts ohne eine Translation über dessen Oberfläche hinweg. Dies wird mittels der Linsen 32, 34 erzielt, die um das Doppelte ihrer Brennweiten, f, beabstandet sind. Das reflektierte Signal von dem Polymerfilm 4 wird durch den Strahlteiler 36 auf das Photodiodenarray 16 gelenkt. Der Strahlteiler 36 ist an den Brennpunkten der zwei Linsen 32, 34 positioniert und lenkt das Signal durch eine Fokussie rungslinse 38 auf das Array 16. Diese Linsen- und Teiler-Anordnung ist so konfiguriert, dass das von dem Sensor 1 abreflektierte Licht ebenfalls ohne Translation auf das Photodiodenarray 16 abgebildet wird, wenn θ variiert wird.
Unter Verwendung dieses Systems können die reflektierten Interferenzstreifen, deren räumliche Ableitungen man sich als Konturen einer einheitlichen Sensibilität vorstellen kann, über den beleuchteten Bereich des Polymersensorfilms hinweg abgetastet werden, wobei ermöglicht wird, dass jeder Punkt mit einer optimalen Sensibilität abgefragt wird. Die drei Linsen 32, 34, 38 weisen dieselben Brennweiten f und dieselbe Apertur auf, was eine lineare Vergrößerung (Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrahldurchmessern) und eine Winkelabstimmverstärkung (θ_o/θ_i) von Eins ergibt. Falls erforderlich, könnten verschiedene andere Kombinationen von Linsen gewählt werden, um θ_o/θ_i zu erhöhen und den Ausgangsstrahldurchmesser zu verändern. Das Winkelabstimmelement 30 könnte ein elektromechanisches Bauelement wie z.B. ein optischer Drehspulen- oder Drehmagnet-Abtastspiegel, ein Drehpolygonspiegel oder ein elektrooptisches Bauelement wie z.B. eine Bragg-Zelle sein.
Es gibt verschiedene Steuersysteme, die ermöglichen, dass an jedem Punkt über die Erfassungsregion hinweg, nämlich den Bereich des Beleuchtungsstrahls, eine nahezu einheitliche optimale Sensibilität erhalten wird.
Es kann ein Schema mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden, wodurch die Ausgabe eines einzigen Elements des Detektorarrays überwacht wird, während θ_o über eine ausreichend große Bandbreite hinweg variiert wird, dass eine Phasenverschiebung von zumindest π Radianen erzeugt wird. Die Transferfunktion des Interferometers wird somit für diesen Punkt erhalten. Der Winkel, der der Phasenabweichung entspricht, die zu der maximalen Sensibilität führt (d.h. wenn die Phasenableitung der Interferometertransferfunktion maximal ist), wird identifiziert und anschließend dazu ver wendet, das Interferometer vorzuspannen. Eine Messung des Signals wird vorgenommen, und der Prozess wird wiederum für jedes Element des optischen Detektorarrays wiederholt. Dieser Lösungsansatz erfordert, dass das zu erfassende Signal wiederholt auftritt. Um die Interferometertransferfunktionsableitung direkt und in Echtzeit zu erhalten, könnte eine geringe Zitterwinkelmodulation darübergelagert und kontinuierlich überwacht werden.
Ein Lösungsansatz eines kontinuierlichen Abtastens, mittels dessen der Sensor mit allen Winkeln für jede Messung abgetastet wird, geht auch davon aus, dass das zu erfassende Signal wiederholt auftritt. θ_o wird kontinuierlich mit einem sinusförmigen oder einem sägezahnförmigen Signalverlauf bei einer Sequenz f_t variiert. Vorausgesetzt, dass der resultierende Hub der Interferometerphasenabweichung zumindest π Radiane beträgt, würden alle Punkte über den Erfassungsbereich hinweg irgendwann innerhalb der Abtastperiode (1/f_t) die optimale Phasenabweichung erfahren, die der maximalen Sensibilität entspricht. Vorausgesetzt, dass die Signalwiederholungsrate f_r des zu erfassenden Signals wesentlich größer als f_t ist, wird ein Signal von jeglichem Detektorelement zumindest einmal innerhalb der Abtastperiode mit einer optimalen Sensibilität erfasst. In der Praxis würde das Signal unter Verwendung von Hüllkurvenerfassungsverfahren oder eines Mittelns der absoluten Amplitude aller Signale, die über einen π-Phasenabweichung-Hub erhalten werden, extrahiert. Außerdem wäre es sinnvoll, eine geringe Zitterwinkelmodulation bei einer Frequenz f_m anzuwenden, so dass f_s>>f_m>>f_t, wobei f_s die minimale Frequenzkomponente des Signals ist. Dadurch, dass der Sensorausgang bei der Zitterfrequenz derselben Verarbeitung (Mitteln oder Hüllkurvenerfassung) unterworfen wird wie das Signal, könnten Schwankungen der Interferometersensibilität über die Erfassungsregion hinweg, die beispielsweise auf Uneinheitlichkeiten bei der räumlichen Verteilung des Beleuchtungsstrahls oder auf Unvollkommenheiten des Polymerfilms oder der reflektierenden Beschichtungen zurückzuführen sind, in Echtzeit erhalten werden.
Bei einem Amplitudenmodulationsschema wird die Phasenabweichung durch π Radiane bei einer Frequenz f_t moduliert, die wesentlich größer ist als die maximale Frequenzkomponente des Signals. Der Ausgang jedes Detektorelements ist somit ein amplitudenmodulierter Träger, der anschließend unter Verwendung herkömmlicher AM-Demodulationstechniken demoduliert werden kann. Das Signal muss nicht wiederholt auftreten, da die Interferometertransferfunktion über die Dauer des Signals hinweg an jedem Punkt über die Erfassungsregion hinweg viele Male effektiv abgetastet wird. Da sich der Frequenzgehalt des Signals auf mehrere zehn MHz erstrecken kann, wenn Ultraschallfelder erfasst werden, müsste das Winkelabstimmelement 30 kein elektromechanisches, sondern vielmehr ein elektrooptisches Bauelement sein.
Fachleuten werden verschiedene Modifikationen einleuchten.

Claims

Ein Interferometersensor, der folgende Merkmale aufweist: einen zweidimensionalen Sensorkopf (1), der einen Polymerfilm (2) einer im Wesentlichen einheitlichen Dicke aufweist, der auf einem Substrat angeordnet ist; eine Abfragesignalquelle (28) zum Liefern eines Abfragesignals an den Sensorkopf, wobei sich das Abfragesignal über die Fläche des Sensorkopfes erstreckt, wobei der Sensorkopf in Abhängigkeit von durch den Sensor erfassten auftretenden Signalen ein optisches Ausgangssignal liefert; eine optische Erfassungsvorrichtung (16), die dahin gehend angeordnet ist, das optische Ausgangssignal von dem Sensorkopf an einer von dem Sensorkopf entfernten Position zu empfangen; dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (1) ein zweidimensionaler Sensorkopf ist; sich das Abfragesignal über die Fläche des Sensorkopfes erstreckt; der Sensorkopf ein optisches Ausgangssignal erzeugt, das über den zweidimensionalen Sensorkopf hinweg variiert; und eine optische Anordnung (32, 34, 36, 38) dahin gehend angeordnet ist, unterschiedliche Einfallswinkel des Abfragesignals an unterschiedlichen Positionen auf dem Sensorkopf auszuwählen.
Ein Interferometer gemäß Anspruch 1, bei dem die optische Erfassungsvorrichtung (16) ein zweidimensionales Photodetektorarray umfasst.
Ein Interferometer gemäß Anspruch 1, bei dem die optische Erfassungsvorrichtung (16) eine Photodiode umfasst, die dahin gehend angeordnet ist, den Ausgang von dem Sensorkopf über seine Fläche hinweg abzutasten.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Polymerfilm (2) eine Dicke von mehr als 5 μm aufweist.
Ein Interferometer gemäß Anspruch 4, bei dem der Polymerfilm (2) eine Dicke im Bereich zwischen 30 μm und 60 μm aufweist.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Polymerfilm (2) einen Youngschen Modul von weniger als 15 GPa aufweist.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Polymerfilm (2) eine einschichtige Polymerstruktur umfasst, die direkt auf das Substrat aufgebracht ist.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abfragesignalquelle (28) eine Dauerstrichabfragelaserquelle umfasst.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Anregungsquelle umfasst, die dahin gehend angeordnet ist, ein Anregungssignal an eine Probe zur Analyse durch den Sensorkopf zu liefern.
Ein Interferometer gemäß Anspruch 9, bei dem die Anregungsquelle eine Laserlichtquelle umfasst, die dahin gehend angeordnet ist, Anregungspulse an den Sensorkopf zu liefern.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine sich ausdehnende optische Strahlanordnung (20) umfasst, die zwischen dem Sensorkopf und der optischen Erfassungsvorrichtung angeordnet ist.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine sich optisch zerstreuende Linsenanordnung (24) umfasst, die zwischen der Abfragesignalquelle und dem Sensorkopf angeordnet ist, zum Ändern des Bündelungsgrades des an den Sensorkopf gelieferten Abfragesignals.
Ein Interferometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Einrichtung zum Messen der Oberflächentemperatur an dem Sensorkopf umfasst.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometersensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das den Schritt, auf einem transparenten Substrat, des Bildens des Polymerfilms (2) umfasst, indem ein flüssiges Polymer mittels Schleuderbeschichtung auf das Substrat aufgebracht wird.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das folgende Schritte umfasst: thermisches Aufdampfen eines Polymers auf die Oberfläche eines transparenten Substrats; Kondensieren des Polymers zu einer Flüssigphase; und Härten des Flüssigphasenpolymers unter Verwendung einer Strahlungsquelle, wodurch ein fester Polymerfilm auf dem Substrat gebildet wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Strahlungsquelle eine ultraviolette Strahlungsquelle umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Strahlungsquelle einen Elektronenstrahl umfasst.