DE69737746T2

DE69737746T2 - Ellipsometer

Info

Publication number: DE69737746T2
Application number: DE69737746T
Authority: DE
Inventors: Josef F. Bille
Original assignee: Heidelberg Engineering GmbH
Current assignee: Heidelberg Engineering GmbH
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: EP0832597A1; DE69737746D1; EP0832597B1; JP3554663B2; US5822035A; JPH10213483A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Diagnosesysteme. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung Systeme, die die optischen Eigenschaften biologischer Proben messen. Die vorliegende Erfindung ist besonders, aber nicht ausschließlich als Ellipsometer zum Messen der Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut und der Netzhaut eines Auges nützlich.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es ist wohl bekannt, dass verschiedene visuelle Defekte und Krankheiten durch Restrukturieren der Hornhaut eines Auges operativ korrigiert werden können. Typischerweise erfolgt dieses Restrukturieren durch das Vornehmen von Einschnitten in die Hornhaut oder durch Entfernen von Abschnitten des Hornhautgewebes. Beispielsweise ist Kurzsichtigkeit erfolgreich durch Operationen wie z.B. der radiären Keratotomie oder der fotorefraktiven Excimer-Laser-Keratektomie korrigiert worden. Unglücklicherweise sind erfolgreiche Operationen für einige Krankheiten wie z.B. Astigmatismus nicht immer möglich gewesen. In der Tat ist die operative Korrektur von Hornhautastigmatismus bekanntermaßen schwer einzuschätzen. Dafür gibt es mehrere Gründe, von denen die wichtigsten die Brechungseigenschaften der Hornhaut betreffen.
Es ist bekannt, dass, um die Auswirkung vorherzusagen, die ein Hornhauteinschnitt auf die Brechungseigenschaften der Hornhaut haben wird, mehrere Faktoren betrachtet werden müssen. Diese beinhalten: 1) die Dicke der Hornhaut, 2) den Augenbinnendruck und 3) die Spannungsverteilung innerhalb der Hornhaut. Von diesen sind die Dicke der Hornhaut und der Augenbinnendruck beide ziemlich leicht zu messen. Andererseits ist eine präoperative In-Vivo-Messung der Spannungsverteilung in der Hornhaut nicht möglich gewesen. Die Konsequenz daraus ist, dass ohne Informationen zur Spannungsverteilung in der Hornhaut nur unvollständige Informationen zur Verfügung gestanden haben. Somit ist es nicht ermittelbar gewesen, welche tatsächliche Auswirkung eine Hornhaut-Relaxationsinzision (ein Hornhaut-Entspannungseinschnitt) auf die Brechungseigenschaften der Hornhaut gehabt haben mag.
Speziell bei Berücksichtigung der Spannungsverteilung in der Hornhaut ist bekannt, dass diese Spannungsverteilung mit den Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut in Wechselbeziehung steht. Infolgedessen kann eine Messung der Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut verwendet werden, um die Spannungsverteilung in der Hornhaut zu ermitteln.
Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Messung der Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut optisch und stützt sich auf die Tatsache, dass diese Doppelbrechungseigenschaften den Zustand von Polarisation von Licht ändern, das durch die Hornhaut hindurchtritt. Zufälligerweise können die Änderungen mithilfe einer Stokes-Vektor-Schreibweise und der so genannten Mueller-Matrix des Mediums mathematisch beschrieben werden.
In der hier verwendeten Weise besteht der Stokes-Vektor (S) aus vier Komponenten. Diese sind: I, M, C und S. Im einzelnen betrachtet, beschreibt I die Gesamtintensität des Lichtstrahls, während M, C bzw. S die Intensitäten seiner drei linear unabhängigen Polarisationszustände beschreiben. Beinhaltet in diesen drei unabhängigen Polarisationszuständen sind Faktoren, die die Vektoren des elektrischen Feldes E_x, E_y und deren Phasenverschiebung φ betreffen. Insbesondere gilt:
Dann ist der polarisierte Anteil I_p des Lichtstrahls gegeben durch: Ip = √M² + C² + S²
Besonders wichtig ist es, zu erkennen, dass ein Stokes-Vektor, der die Hornhaut mathematisch beschreibt, Informationen über die Phasenverschiebung φ beinhaltet. Dies ist so, weil, wie wir sehen werden, die Phasenverschiebung φ für die Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut bestimmend ist und, wie oben erklärt, die Doppelbrechungseigenschaften für die gewünschten Informationen über die Spannungsverteilung in der Hornhaut bestimmend sind.
Zufälligerweise wird, sowie Licht durch ein doppelbrechendes Medium hindurchtritt, der Stokes-Vektor S von Licht geändert, das in das Medium abgestrahlt wird. Sowie das Licht durch das Medium hindurchtritt, ändert sich insbesondere der Stokes-Vektor S, der für das Licht beschreibend ist, das in das Medium eintritt, gemäß einer Mueller-Matrix des Mediums. Somit ist der Stokes-Vektor S', der verwendet werden kann, um Licht zu beschreiben, das durch ein Medium hindurchgetreten ist, das eine Mueller-Matrix (M) aufweist, gegeben durch den Ausdruck: S' = M·S
Diese Mueller-Matrix M ist eine 4×4-Drehmatrix, deren Kippwinkel die Phasenverschiebung φ des Probekörpers direkt bestimmt.
Das Handbook of Optics, Bd. II, M. Bass (Hg.), zweite Auflage 1995, McGraw Hill, Inc., Seiten 27.1–27.27 beschreibt die Prinzipien der Ellipsometrie und beschreibt insbesondere auf Seite 27.21 ein Mueller-Matrix-Fotopolarimeter mit zweifachem rotierendem Retarder zum Messen der Elemente der Mueller-Matrix eines zu untersuchenden Materials.
Ein Artikel mit dem Titel „Spatially resolved birefringence of the retinal nerve fiber layer assessed with a retinal laser ellipsometer" von A. Dreher, K. Reiter und R. Weinreb, Applied Optics, Bd. 31, Nr. 19, Seiten 3730–3735 vom 1. Juli 1992 beschreibt ein Instrument, um den Ursprung und den Änderungsbetrag im Zustand der Polarisation eines Laserstrahls festzustellen, der die Netzhaut um den Sehnervenkopf postmortaler menschlicher Augen doppelt durchdrungen hat.
Bei der Umgebung, in der die vorliegende Erfindung zu verwenden ist, tragen mehrere unabhängige Faktoren zur Gesamt-Mueller-Matrix M bei. Diese Faktoren beinhalten nicht nur die Hornhaut, sondern auch die Augenlinse und das Ellipsometer, das zu verwenden ist. Ferner müssen möglicherweise abhängig davon, wo Messungen mit dem Ellipsometer vorzunehmen sind, andere anatomische Strukturen als die Hornhaut in Betracht gezogen werden. Insbesondere können, wie für die vorliegende Erfindung unten vollständiger beschrieben, Ellipsometer-Messungen vorgenommen werden, indem entweder auf 1) Lamellae innerhalb der Hornhaut, 2) die anteriore Oberfläche der Linse, 3) Blutgefäße, die auf der Oberfläche der Netzhaut aufliegen, oder 4) die Netzhaut fokussiert wird. Dort, wo Messungen mit Licht vorgenommen werden, das von der Netzhaut oder von Blutgefäßen auf der Netzhaut reflektiert wird, wird man verstehen, dass die Linse und das Kammerwasser im Auge auch einen kleinen, aber im Allgemeinen gleichförmigen Beitrag zur Mueller-Matrix leisten.
Ausführlicher gesagt, bestimmt die Mueller-Matrix eine Drehung des Stokes-Vektors auf der dreidimensionalen Poincaré-Sphäre, die in einem Koordinatensystem definiert ist, wobei die Achsen durch die Komponenten M, C und S gegeben sind. Der Drehwinkel ist mit dem Winkel des Gangunterschieds identisch, der durch das doppelbrechende Objekt verursacht wird, und der Eigenvektor der Mueller-Matrix ist auf die dreidimensionale Lage der schnellen Achse dieses Objekts bezogen.
Bei einer Messung der menschlichen Hornhaut müssen mehrere doppelbrechende Komponenten in Betracht gezogen werden, die ihre eigenen Mueller-Matrizes aufweisen. In der Tat wird stets das komplette System mit der Mueller-Matrix M _ges gemessen, wobei die Wirkung der Hornhaut, die durch M _Hoh repräsentiert wird, und der Einfluss des Ellipsometers beinhaltet ist, der durch M _Abt berücksichtigt wird. Somit kann der gemessene Stokes-Vektor S_aus geschrieben werden als: Saus = M ges Sein = M Abt M 2 Hoh M Abt Sein.
Um M _Hoh zu berechnen, ist es erforderlich, die Matrix M _Abt zu kennen. M 2 Hoh = M Abt –1 M ges M Abt –1
Die Messungen erfolgen durch Fokussieren des Lichtstrahls auf die Oberfläche der Linse unter Verwendung des Prinzips der konfokalen Detektion, um störende Oberflächenreflexionen zu beseitigen.
Darüber hinaus wird ein anderes Verfahren zur Messung der Hornhautdoppelbrechung bewertet, das Licht verwendet, das auf Netzhautblutgefäßen spiegelnd reflektiert wird. In den Bereichen, in denen Blutgefäße oberhalb der Nervenfasern liegen, ist die gemessene Matrix auch durch M _ges = M _Abt M ² _Hoh M _Abt gegeben, was die Berechnung von M _Hoh durch Gleichung (2) unter der Annahme erlaubt, dass der Einfluss der Linse und des Glaskörpers klein genug ist, um vernachlässigt zu werden.
Basierend auf der 4×4-Natur der Mueller-Matrix M würdigt die vorliegende Erfindung, dass sechzehn Messungen nötig sind, um die Determinante zu bewerten. Nach dem Bewerten, wie oben angegeben, liefert die Mueller-Matrix M Informationen über die Phasenverschiebung φ und als Folge davon Informationen über die Doppelbrechungseigenschaften des Mediums, die zur Operationsplanung verwendet werden können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System für die In-Vivo-Messung optischer Eigenschaften einer Hornhaut bereitzustellen, das nur extrem kurze Messzeiten erfordert. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System für die In-Vivo-Messung optischer Eigenschaften einer Hornhaut bereitzustellen, das relativ leicht zu verwenden und vergleichsweise wirtschaftlich ist.
Die Erfindung stellt ein System zur In-Vivo-Messung optischer Eigenschaften eines doppelbrechenden Materials gemäß Anspruch 1 der angehängten Ansprüche bereit.
KURZDARSTELLUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Ellipsometersystem zur In-Vivo-Messung optischer Eigenschaften der Hornhaut einen Auges Komponenten, die die Fähigkeit zum Vornehmen von sechzehn unabhängigen Messungen für jeden einzelnen Abtastpunkt aufweisen. Diese Komponenten beinhalten eine prozessorgesteuerte Polarisationseinheit, die einen Laserlichtstrahl generiert, der einen vorausgewählten Polarisationszustand aufweist, und eine prozessorgesteuerte Analyseeinheit, die reflektiertes Licht unter Verwendung eines vorausgewählten Detektionszustands empfängt. Das System beinhaltet auch einen Computer, der die erlangten Signale verwendet, um optische Eigenschaften der Hornhaut zu berechnen.
Die Polarisiations- oder Polarisatoreinheit des Ellipsometers beinhaltet eine Laserdiode zum Generieren des Laserlichtstrahls. Die Polarisationseinheit beinhaltet außerdem zwei Pockels-Zellen zum Festlegen eines Polarisationszustands für den generierten Lichtstrahl. Durch den konzertierten Betrieb dieser zwei Pockels-Zellen können Phasenverschiebungen selektiv durch die Polarisationseinheit übermittelt werden, um vier unterschiedliche Abstrahlungszustände (Polarisationszustände) für den Lichtstrahl zu generieren. Diese Abstrahlungszustände (Polarisationszustände) sind: (0, 0); (λ/4, 0); (0, λ/2) und (λ/4, λ/2). Darüber hinaus beinhaltet die Analyse- oder Analysatoreinheit des Ellipsometers zwei Pockels-Zellen. In einer Arbeitsweise ähnlich der Aktivität der Pockels-Zellen der Polarisationseinheit übermitteln die Pockels-Zellen der Analyseeinheit Phasenverschiebungen, um vier unterschiedliche Detektionszustände für den reflektierten Lichtstrahl festzulegen. Diese Detektionszustände sind: (0, 0); (λ/4, 0); (0, λ/2) und (λ/4, λ/2). Somit gibt es zu jedem Abstrahlzustand (Polarisationszustand) vier Detektionszustände. Die Folge davon ist, dass bei Reflexionen von einem Abtastpunkt sechzehn unterschiedliche Intensitätszustände unterschieden werden können.
Um die sechzehn unterschiedlichen Intensitätszustände zu analysieren, die von jedem einzelnen Abtastpunkt empfangen werden, wird ein Computer verwendet. Insbesondere werden die erlangten Signale mathematisch verwendet, um sechzehn Gleichungen zu erzeugen, aus denen die sechzehn Koeffizienten der Mueller-Matrix (M) berechnet werden. Wie oben angegeben, ist der Stokes-Vektor des Lichts, das durch die Analyseeinheit empfangen wird (S'), durch die Beziehung zum Stokes-Vektor bestimmt, der durch die Polarisationseinheit generiert wird (S), nämlich: S' = M·S
Beim Betrieb des Ellipsometersystems der vorliegenden Erfindung wird das Ellipsometer auf einen Abtastpunkt fokussiert. Dann wird ein Abstrahlzustand (Polarisationszustand) für die Polarisationseinheit ausgewählt, und ein Laserlichtstrahl wird generiert. Die Reflexion dieses Lichtstrahls wird dann durch die Analyseeinheit gemäß einem vorausgewählten Detektionszustand der Analyseeinheit detektiert. So wird ein Signal erlangt. Unter Verwendung desselben Abstrahlzustands für die Polarisationseinheit, aber eines unterschiedlichen Detektionszustands für die Analyseeinheit, wird in ähnlicher Weise ein anderes Signal erlangt. Dies setzt sich fort, bis unter Verwendung eines Abstrahlzustands und vierer unterschiedlicher Detektionszustände vier unterschiedliche Signale erlangt worden sind. Die Polarisationseinheit wird dann derart geändert, dass sie einen Laserlichtstrahl generiert, der einen unterschiedlichen Abstrahlzustand aufweist, und der Vorgang wird wiederholt, um vier weitere Signale zu erlangen. Wenn alle sechzehn Signale von einem einzelnen Abtastpunkt erlangt worden sind, berechnet der Computer die Mueller-Matrix für das Medium, durch das der Laserlichtstrahl hindurchgetreten ist. Mehrere derartiger Messungen können genommen werden, und die Messungen werden, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, verglichen, um Gebiete mit Doppelbrechungs-Inhomogenität im Medium zu identifizieren.
Besonders im Hinblick auf das Auge ist das Ellipsometersystem der vorliegenden Erfindung für mehrere Arten von Messungen nützlich. Von besonderer Wichtigkeit ist, dass eine Art von Messung die Hornhaut betrifft, eine andere die Linse betrifft und noch eine andere die Netzhaut betrifft. In jedem Fall ist der Betrieb des Ellipsometersystems im Wesentlichen derselbe, wobei nur der Brennpunkt geändert wird. Bei der Hornhaut kann der Lichtstrahl auf die anteriore Oberfläche der Linse fokussiert werden. Bei entweder der Hornhaut oder der Linse kann der Lichtstrahl auf ein Blutgefäß fokussiert werden, das auf der Netzhaut aufliegt. Bei der Netzhaut wird der Laserlichtstrahl direkt auf die neuronale Netzhaut fokussiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die neuartigen Merkmale dieser Erfindung sowie die Erfindung selbst werden sowohl hinsichtlich ihrer Struktur als auch ihres Betriebes am besten anhand der beiliegenden Zeichnungen in Verbindung mit der beiliegenden Beschreibung verständlich, wobei ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Teile verweisen und wobei:
1 eine Prinzipskizze des Ellipsometers der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Veranschaulichung von Stokes-Vektoren ist, die durch das Ellipsometer der vorliegenden Erfindung erzeugt werden;
3 eine Schnittansicht eines Auges ist;
4 eine Darstellung von Lamellae im Hornhautstroma des Auges ist und
5 eine Darstellung von Lichtstrahlen ist, die auf gestapelte Lamellae im Stroma fokussiert sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Anfangs Bezug nehmend auf 1 ist ein Ellipsometer gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und wird im Allgemeinen mit 10 bezeichnet. Wie gezeigt, beinhaltet das Ellipsometer 10 sowohl eine Polarisationseinheit 12 als auch eine Analyseeinheit 14. Um mit einer Betrachtung der Polarisationseinheit 12 zu beginnen, ist zu sehen, dass die Einheit 12 eine Quelle von Laserlicht beinhaltet, wie z.B. die Laserdiode 16. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Laserdiode 16 von jedweder Art sein, die im einschlägigen Fachgebiet wohl bekannt ist, und vorzugsweise strahlt die Laserdiode 16 einen Laserlichtstrahl ab, der eine Wellenlänge von 785 nm aufweist.
Innerhalb der Polarisationseinheit 12 ist der Laserlichtstrahl, der von Laserdiode 16 abgestrahlt wird, entlang eines Weges 18 auf einen Polarisator 20 zu gerichtet. Wichtig ist, dass dieser Polarisator 20 mit einer bestimmten Grundausrichtung in der Polarisationseinheit 12 angebracht ist. Wie unten vollständiger beschrieben, bestimmt diese Grundausrichtung, wie andere Komponenten im Ellipsometer angebracht sind. In 1 ist die Grundausrichtung durch Linien auf dem Polarisator 20 angegeben, die als im Wesentlichen vertikal angenommen werden. In jedem Fall schreitet das Licht, das durch Polarisator 20 hindurchtritt, entlang Weg 18 auf einen elektrooptischen Schalter 22 zu fort, der ebenfalls auf dem Weg 18 eingerichtet ist. Dieser Schalter 22 ist vorzugsweise von einer Art, die auf dem einschlägigen Fachgebiet als Pockels-Zelle bekannt ist. Zu Zwecken der Diskussion hier werden die Begriffe elektrooptischer Schalter und Pockels-Zelle synonym verwendet.
Pockels-Zelle 22 ist in Polarisationseinheit 12 angebracht, wobei ihre so genannte schnelle Achse unter einem Winkel 24 relativ zur Grundausrichtung des Polarisators 20 ausgerich tet ist. Insbesondere ist der Winkel 24 gleich 45°. 1 zeigt auch, dass Polarisationseinheit 12 eine Pockels-Zelle 26 beinhaltet, wobei ihre so genannte schnelle Achse unter einem Winkel 28 relativ zur Grundausrichtung des Polarisators 20 ausgerichtet ist. Der Winkel 28 ist gleich 22,5°. Die Bedeutung dieser speziellen relativen Ausrichtungen für die Pockels-Zellen 22, 26 gründet sich auf die Tatsache, dass sie in diesen Ausrichtungen in der Lage sind, Abstrahlzustände (Polarisationszustände) für die vom Ellipsometer 10 abgestrahlten Lichtstrahlen zu generieren, die durch leicht handhabbare Stokes-Vektoren beschrieben werden.
Wie bei der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, verursacht die Aktivierung der Pockels-Zellen 22 und 26 jeweils Phasenverschiebungen im polarisierten Lichtstrahl gleich λ/4 und λ/2. Infolgedessen kann zusätzlich zu einem Abstrahlzustand (0, 0), wobei das Licht linear polarisiert ist, die Polarisationseinheit 12 durch eine konzertierte Aktivierung der Pockels-Zellen 22 und 26 Licht generieren, das drei andere Abstrahlzustände (Polarisationszustände) aufweist. Diese zusätzlichen Abstrahlzustände sind (λ/4, 0), (0, λ/2) und (λ/4, λ/2). In 2 sind die resultierenden Drehungen der jeweiligen Stokes-Vektoren und ihre jeweiligen Mueller-Matrizes für die (λ/4, 0)-, (0, λ/2)- und (λ/4, λ/2)-Zustände von Polarisation veranschaulicht. Das Ergebnis sind vier unterscheidbare und unabhängige Zustände von Polarisation für das Laserlicht, das vom Ellipsometer 10 abgestrahlt wird. Wie in 1 angegeben, wird dieser abgestrahlte Lichtstrahl durch einen Abtaster 30 auf ein Auge zu fokussiert und gerichtet.
Noch Bezug nehmend auf 1 wird der Fachmann verstehen, dass der Lichtstrahl, der von der Polarisationseinheit 12 von Ellipsometer 10 abgestrahlt wird, entlang dem Weg 18 zurück reflektiert wird, bis er wiederum durch den Spiegel 34 reflektiert wird. Das Licht wird dadurch durch den Spiegel 34 in die Analyseeinheit 14 weitergeleitet. In der Analyseeinheit 14 wird das reflektierte Licht weiter entlang einem Weg 38 weitergeleitet, auf dem es der Reihe nach durch eine Pockels-Zelle 40, eine Pockels-Zelle 42 und einen Polarisator 44 hindurchtritt. Wie durch die Linien auf Polarisator 44 in 1 angezeigt, ist der Polarisator 44 in Analyseeinheit 14 derart ausgerichtet, dass er zum Polarisator 20 in Polarisationseinheit 12 optisch parallel ist. Ferner ist die schnelle Achse von Pockels-Zelle 40 unter einem Winkel 46 relativ zum Polarisator 44 ausgerichtet, und die schnelle Achse von Pockels-Zelle 42 ist unter einem Winkel 48 relativ zum Polarisator 44 ausgerichtet. Winkel 46 ist gleich 22,5°, und Winkel 48 ist gleich 45°.
In einer Art und Weise ähnlich jener, die oben für die Pockels-Zellen 22 und 26 beschrieben ist, und wie bei der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, verursacht die Aktivierung der Pockels-Zellen 40 und 42 jeweils Phasenverschiebungen im polarisierten Licht auf Weg 38 gleich λ/4 und λ/2. Infolgedessen kann Analyseeinheit 14 vier unterschiedliche und verschiedene Detektionszustände festlegen. Insbesondere beinhalten diese einen Detektionszustand (0, 0), wobei die Pockels-Zellen 40 und 42 passiv, d.h. nicht aktiviert sind, und das reflektierte Licht auf Weg 38 nur durch den Polarisator 44 linear polarisiert ist. Darüber hinaus kann die Analyseeinheit 14 durch eine konzertierte Aktivierung der Pockels-Zellen 40 und 42 drei andere Detektionszustände (Polarisationszustände) festlegen, nämlich (λ/4, 0), (0, λ/2) und (λ/4, λ/2).
Nachdem er in der Analyseeinheit 14 einem Detektionszustand ausgesetzt worden ist, wird der reflektierte Laserlichtstrahl durch eine Linse 50 fokussiert und durch ein 100-μm-Loch 52 hindurch weitergeleitet, bevor er durch einen Detektor 54 empfangen wird. Vorzugsweise ist der Detektor 54 ein Lawinenfotodioden-Detektor eines Typs, der auf dem einschlägigen Fachgebiet wohl bekannt ist.
1 zeigt außerdem, dass das Ellipsometer 10 einen Prozessor 56 und einen Computer 58 beinhaltet. Aus praktischen Gründen können die Funktionen sowohl des Prozessors 56 als auch des Computers 58 kombiniert und durch eine einzige Einheit gesteuert werden. Ungeachtet dessen, wie diese Komponenten physikalisch verbunden sind, ist es wichtig, zu beachten, dass der Prozessor 56 elektronisch mit dem Abtaster 30, den Pockels-Zellen 22 und 26 von Polarisationseinheit 12, der Laserdiode 16 und den Pockels-Zellen 40 und 42 von Analyseeinheit 14 verbunden ist. Auch ist es wichtig, zu beachten, dass der Computer 58 mit dem Detektor 54 verbunden ist. Mit diesen Verbindungen kann der Prozessor 56 den Betrieb des Ellipsometers 10 wirksam steuern, und der Computers 58 kann die Informationen ermitteln, die während des Betriebs des Ellipsometers gewonnen werden.
BETRIEB
In einem allgemeinen Überblick über seinen Betrieb wird das Ellipsometer 10 der vorliegenden Erfindung zuerst durch Ermitteln der Mueller-Matrix für das Ellipsometer 10 selbst (M_Abt) kalibriert. Dann wird die Gesamt-Mueller-Matrix (M_ges) gemessen, die sowohl das Ellipsometer als auch das Zielgewebe (z.B. die Hornhaut) beinhaltet. Aus diesen Messungen wird die Mueller-Matrix des Zielgewebes gemäß der oben dargelegten Gleichung (2) ermittelt. Zufälligerweise werden die Messungen sowohl von M_Abt als auch von M_ges mithilfe im Wesentlichen derselben Vorgehensweise durchgeführt. Der Unterschied zwischen diesen beiden Vorgehensweisen ist dabei der Punkt, wo das Ellipsometer 10 tatsächlich fokussiert wird. Um M_Abt zu ermitteln, wird das Ellipsometer 10 auf einen (nicht gezeigten) Spiegel fokussiert. Um M_ges zu ermitteln, die von dem bestimmten Zielgewebe abhängt, das zu messen ist, wird das Ellipsometer 10 auf vorausgewählte reflektierende Oberflächen im Auge 32 fokussiert.
3 zeigt die allgemeine Anatomie eines Auges 32 und mehrere Wege 18a–d, denen Laserstrahlen, die vom Ellipsometer 10 ausgehen, zum Zwecke des Messens der Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut 60 folgen können. Insbesondere zeigt Strahlweg 18a an, dass der Laserstrahl durch die Hornhaut 60 von Auge 32 hindurchtreten kann und in einem Brennpunkt 62 fokussiert werden kann, der sich auf der anterioren Oberfläche 64 von Linse 66 befindet. Auch zeigt der Strahlweg 18b an, dass der Laserstrahl in einem Brennpunkt 68 innerhalb der Hornhaut 60 fokussiert werden kann, und ferner zeigt der Strahlweg 18c an, dass der Laserstrahl von Ellipsometer 10 in einem Brennpunkt 70 auf einem Blutgefäß 72 fokussiert werden kann, das sich auf der Oberfläche von Netzhaut 74 befindet. In jedem Fall wird Licht entlang des einzelnen Weges 18 weitergeleitet, und es gibt eine spiegelnde Reflexion dieses Lichts zurück entlang demselben Weg 18, nachdem es mindestens durch einen Abschnitt der Hornhaut 60 hindurchgetreten ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses reflektierte Licht verwendet, um die Doppelbrechungseigenschaften eines bestimmten Abschnitts der Hornhaut 60 zu ermitteln, durch den das Licht hindurchtrat. Trotz Unterschieden in diesen Wegen wird das Ellipsometer in derselben Art und Weise betrieben.
Sobald ein Brennpunkt 62, 68 oder 70 ausgewählt worden ist, werden die optischen Komponenten von Abtaster 30 eingestellt, um den Laserstrahl 18 auf den ausgewählten Brennpunkt zu fokussieren. Dann wird in der Polarisationseinheit 12 ein Polarisationszustand für den Laserstrahl festgelegt, der entlang Weg 18 auf das Auge 32 zu weiterzuleiten ist. Dies erfolgt durch konzertiertes Ändern der Spannungszustände der Pockels-Zellen 22, 26 in Polarisationseinheit 12. Wie oben angegeben, können vier spezielle Polarisationszustände unabhängig generiert werden. Diese sind: (0, 0), (λ/4, 0), (0, λ/2) und (λ/4, λ/2). Gleichzeitig können durch Ändern der Spannungszustände der Pockels-Zellen 40, 42 in Analyseeinheit 14 vier spezielle Detektionszustände für Ellipsometer 10 unabhängig festgelegt werden. Die Detektionszustände sind: (0, 0), (λ/4, 0), (0, λ/2) und (λ/4, λ/2). Dementsprechend können sechzehn unterschiedliche Kombinationen von Polarisationszuständen und Detektionszuständen festgelegt werden.
Um die 16 Koeffizienten der Mueller-Matrix zu berechnen, die die Doppelbrechungseigenschaften des Zielgewebes definiert, ist es notwendig, 16 Gleichungen durch Vornehmen von 16 Messungen für jeden einzelnen Abtastpunkt zu erstellen. Gemäß der obigen Beschreibung generiert die Polarisationseinheit 12 durch Umschalten der Spannungen für die Pockels-Zellen 22, 26 vier linear unabhängige Stokes-Vektoren Sein. Diese Vektoren treten durch das doppelbrechende Medium hindurch, und die neuen Polarisationszustände werden durch S_aus beschrieben. Die Analysatoreinheit 14 detektiert dieses Licht mithilfe des anderen Paares Pockels-Zellen 40, 42 in vier unabhängigen Richtungen.
Die Berechnung von S_aus erfolgt durch die Multiplikation des Stokes-Vektors mit den Matrizes der Analysatoreinheit.
Der analysierte Stokes-Vektor ist dann gleich: I = I0,λ/4 + Iλ/2,λ/4 M = 2I0,0 – I C = 2Iλ/2,0 – I S = – I0,λ/4 + Iλ/2,λ/4 wobei die Indizes die Spannungszustände der Pockels-Zellen angeben.
Als ein Beispiel wird in einer Anwendung der obigen Vorgehensweise das Ellipsometer 10 auf ein Blutgefäß 72 fokussiert, und Messungen werden entlang mehrerer unterschiedlicher Wege 18c durch die Hornhaut 60 hindurch getätigt. Auf diese Weise können die Doppelbrechungseigenschaften verschiedener Bereiche der Hornhaut 60 detektiert, untersucht und mit den anderen Bereichen auf Inhomogenitäten verglichen werden. Wenn ein Bereich oder Gebiet mit Doppelbrechungs-Inhomogenität detektiert worden ist, ist weitere Analyse möglich. Insbesondere kann ein Profil der Doppelbrechungseigenschaften in dem Gebiet durch Vornehmen einer Reihe von Messungen in dem Gebiet erlangt werden. Dies kann in der Hornhaut unter vorteilhafter Nutzung ihrer Anatomie erfolgen.
Es ist wohl bekannt, dass die Hornhaut 60 jedes Auges 32 mehrere unterschiedliche Typen von Gewebe umfasst. Das überwiegende dieser Gewebe ist das Stroma. Ferner ist auch wohl bekannt, dass das Stroma viele Lamellae 76 umfasst, die in einer Art und Weise geschichtet sind, die schematisch in 4 gezeigt ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann das Ellipsometer 10 verwendet werden, um auf einen Brennpunkt 68 zu fokussieren, der sich auf der Oberfläche 78 einer Lamella 76 befindet. Der wichtige Faktor ist hier, dass von der Oberfläche 78 eine spiegelnde Reflexion erlangt wird. Wie in 5 angegeben, kann dies für mehrere Oberflächen 78 erfolgen, für die die Oberflächen 78a, 78b und 78c beispielhaft sind.
Sobald ein Gebiet mit Doppelbrechungs-Inhomogenität in der Hornhaut 60 gefunden worden ist, kann das Ellipsometer 10 auf aufeinander folgende Lamella-Oberflächen 78 in dem Gebiet fokussiert werden und kann bei jeder der Oberflächen 78 durch die sechzehn unterschiedlichen Modi hindurch betrieben werden. Durch diesen Prozess kann das Ellipsometer 10 die Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut 60 in jenem bestimmten Gebiet sequenziell messen. Insbesondere kann der in 5 gezeigte Abstand „d" wie gewünscht variiert werden, um nicht weniger als zweiunddreißig unterschiedliche Doppelbrechungsmessungen von ebenso vielen Oberflächen 78 zwischen der posterioren Oberfläche 80 und der anterioren Oberfläche 82 der Hornhaut 60 zu erlangen.
Als Beispiel für die eben beschriebene Vorgehensweise betrachte man, dass das Ellipsometer 10 entlang eines Weges 18b zu einem Brennpunkt 68a fokussiert ist. In 5 sind die Begrenzungen dieses Weges 18b (übertrieben) gezeigt, wenn der Strahl auf Brennpunkt 68a fokussiert ist. Bei der vorliegenden Erfindung muss man verstehen, dass durch den Einsatz eines Mikroskopobjektivs mit hoher numerischer Apertur der Brennpunkt 68a einen Durchmesser von wenigen Mikrometern hat und die Feldgröße, die durch Abtaster 30 abgedeckt ist, ein Bereich auf Oberfläche 78a ist, der näherungsweise gleich 250 μm × 250 μm ist. Sowie es derart fokussiert ist, durchläuft das Ellipsometer 10 zyklisch seine sechzehn unterschiedlichen Modi, und man erlangt eine Messung der Doppelbrechungseigenschaften der Hornhaut 60. Als Nächstes wird das Ellipsometer 10 entlang Weg 18b' auf Brennpunkt 68b von Schicht 78b fokussiert, und man erlangt eine andere Doppelbrechungsmessung. Der Prozess wird dann entlang Weg 18b'' bei Brennpunkt 68c auf Oberfläche 78c wiederholt und wird danach sequenziell wiederholt, bis näherungsweise zweiunddreißig unterschiedliche Doppelbrechungsmessungen für Gewebe erlangt worden sind, das sich entlang einer Linie befindet, die im Wesentlichen senkrecht sowohl zur posterioren Oberfläche 80 als auch zur anterioren Oberfläche 82 von Hornhaut 60 verläuft. Wie es der Fachmann verstehen wird, kann diese Vorgehensweise bei so vielen anderen Gebieten mit Doppelbrechungs-Inhomogenität erneut befolgt werden, wie in Stroma 60 als vorhanden ermittelt werden. Ferner können, wie oben angedeutet, die Gebiete mit Inhomogenität durch Verwenden von Reflexionen entweder von der anterioren Oberfläche 64 von Linse 66 oder von einem Blutgefäß 72 ermittelt werden, das auf der Netzhaut 74 aufliegt. In letzterem Fall müssen die Effekte von Augenlinse 66 als Mueller-Matrix in Betracht gezogen werden, aber in vielen Fällen ist dieser Beitrag vernachlässigbar.
Man wird verstehen, dass bei ähnlichen Vorgehensweisen die Doppelbrechungseigenschaften der Linse 66 ebenfalls ermittelt werden können. Bei einer derartigen Vorgehensweise ist es zu bevorzugen, den Strahlweg 18c und einen Brennpunkt 70 auf einem Blutgefäß 72 zu verwenden, das auf der Netzhaut 74 aufliegt.
Unter Verwendung von Ellipsometer 10 in im Wesentlichen derselben Art und Weise wie oben beschrieben kann nach einer anderen Vorgehensweise vorgegangen werden, wobei die Netzhaut 74 untersucht wird. Insbesondere kann, wie in 3 gezeigt, das Ellipsometer 10 entlang einem Weg 18d gerichtet und auf einen Brennpunkt 84 direkt auf der Netzhaut 74 fokussiert werden. Eine Messung von einem derartigen Punkt aus stellt, wenn sie mit ähnlichen Messungen verglichen wird, die von benachbarten Punkten auf der Netzhaut 74 vorgenommen werden, Informationen über die Doppelbrechungseigenschaften der tieferen Netzhautschichten bereit, z.B. der neuronalen Netzhaut. Mithilfe derartiger Messungen kann die Dickentopografie der Nervenfaserschicht auf der Netzhaut 74 abgeschätzt werden. Dies kann hilfreich sein, da man annimmt, dass Atrophie der Nervenfaserschicht ein frühes Anzeichen eines Glaukoms ist.
Während das bestimmte Ellipsometer, wie es hierin ausführlich gezeigt und beschrieben ist, uneingeschränkt zum Lösen der Aufgaben und Bereitstellen der Vorteile fähig ist, die hier zuvor angegeben worden sind, versteht es sich, dass es lediglich für die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichend ist und dass keinerlei andere Einschränkungen an den Einzelheiten des Aufbaus oder der Konstruktion, die hierin gezeigt sind, als die, die in den angehängten Ansprüchen beschrieben sind, beabsichtigt sind.

Claims

System zur In-Vivo-Messung optischer Eigenschaften eines doppelbrechenden Materials, das Folgendes umfasst: eine Polarisationseinheit (12), umfassend eine Lichtquelle (16) zum Generieren eines Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl entlang einer Bahn gerichtet ist, einen ersten Polarisator (20), der auf der Bahn (18) angebracht ist, zum Weiterleiten eben polarisierten Lichts von der Lichtquelle (16) entlang der Bahn (18), eine erste elektrooptische Zelle (22) zum Erzeugen einer Phasenverschiebung τ₁ und eine zweite elektrooptische Zelle (26) zum Erzeugen einer Phasenverschiebung τ₂, um sequenziell vier Lichtstrahlen zu generieren, die einen vorausgewählten Polarisationszustand (τ₁, τ₂) aufweisen, wobei jeder Strahl einen Polarisationszustand von (0, 0), (λ/4, 0), (0, λ/2) oder (λ/4, λ/2) aufweist und die ersten und zweiten elektrooptischen Zellen (22, 26) den Polarisationszustand des eben polarisierten Lichts selektiv ändern; eine Analyseeinheit (14), umfassend eine erste elektrooptische Zelle (40) zum Erzeugen einer Phasenverschiebung T₁ und eine zweite elektrooptische Zelle (42) zum Erzeugen einer Phasenverschiebung T₂, um eine Reflexion jedes Lichtstrahls zu empfangen, wobei die Analyseeinheit (14) einen vorausgewählten Detektionszustand (T₁, T₂) von (0, 0), (λ/4, 0), (0, λ/2) oder (λ/4, λ/2) verwendet, um vier Lichtintensitätszustände für jeden der Strahlen zu messen, einen zweiten Polarisator (44), der auf der Bahn (18, 38) angebracht ist, zum Weiterleiten des reflektierten Lichts von der zweiten elektrooptischen Analysatorzelle (42) entlang der Bahn (18, 38) und einen Detektor (54) zum Empfangen des Lichts vom zweiten Polarisator (44), um den Lichtintensitätszustand jedes der Lichtstrahlen zu detektieren; elektronische Prozessormittel (56), die mit den ersten und zweiten elektrooptischen Zellen (22, 26) der Polarisationseinheit (12) und den ersten und zweiten elektrooptischen Zellen (40, 42) der Analyseeinheit (14) verbunden sind, wobei die elektronischen Prozessormittel (56) den Polarisationszustand der Polarisationseinheit (12) mit dem Detektionszustand der Analyseeinheit (14) konzertiert derart verändern, dass die Analyseeinheit (14) bei jedem vorausgewählten Detektionszustand eine Reflexion des Lichtstrahls empfängt, der durch die Polarisationseinheit (12) bei mehreren der vorausgewählten Polarisationszustände generiert ist, um die Intensitätszustände für sechzehn linear unabhängige Zustände von Polarisation zu ermitteln; und Computermittel (58) zur Verwendung der gemessenen Intensitätszustände, um eine optische Eigenschaft für das Material festzustellen, wobei die Computermittel (58) ferner die mehreren Intensitätszustände verwenden, um die optischen Eigenschaften des Systems zu ermitteln.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) ein Diodenlaser ist, der bei einer Wellenlänge von 670 nm arbeitet.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) ein Diodenlaser ist, der bei einer Wellenlänge von 780 nm arbeitet.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (54) eine Lawinenfotodiode ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrooptische Zelle (22) der Polarisationseinheit (12) das Licht 0° oder λ/4 phasenverschieben kann, die zweite elektrooptische Zelle (26) der Polarisationseinheit (12) das Licht 0° oder λ/2 phasenverschieben kann, die erste elektrooptische Zelle (40) der Analyseeinheit (14) das Licht 0° oder λ/4 phasenverschieben kann und die zweite elektrooptische Zelle (42) der Analyseeinheit (14) das Licht 0° oder λ/2 phasenverschieben kann.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrooptische Zelle (22) der Polarisationseinheit (12) unter 45° relativ zum ersten Polarisator (20) ausgerichtet ist, die zweite elektrooptische Zelle (26) der Polarisationseinheit (12) unter 22,5° relativ zum ersten Polarisator (20) ausgerichtet ist, die erste elektrooptische Zelle (40) der Analyseeinheit (14) unter 45° relativ zum zweiten Polarisator (44) ausgerichtet ist und die zweite elektrooptische Zelle (42) der Analyseeinheit (14) unter 22,5° relativ zum zweiten Polarisator (44) ausgerichtet ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polarisator (20) im Wesentlichen parallel zum zweiten Polarisator (44) ausgerichtet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Computermittel (58) die sechzehn linear unabhängigen Zustände vom Polarisation kombiniert, um eine Messung einer doppelbrechenden Eigenschaft des Materials zu erlangen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten elektrooptischen Zellen (22, 26) der Polarisationseinheit (12) und die ersten und zweiten elektrooptischen Zellen (40, 42) der Analyseeinheit (14) Pockels-Zellen umfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner Mittel (30) zum selektiven Fokussieren des Lichtstrahls umfasst.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material die Hornhaut (60) des Auges (32) ist und das System ferner optische Elemente (30) zum Fokussieren des Lichtstrahls auf einer Oberfläche (64) der Augenlinse (66) umfasst, um optische Eigenschaften für ein Gebiet der Hornhaut (60) des Auges (32) zu ermitteln.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material die Linse (66) oder die Hornhaut (60) des Auges (32) ist und das System ferner optische Elemente (30) zum Fokussieren des Lichtstrahls auf Blutgefäße (72) umfasst, die die Netzhaut (74) überlagern, um optische Eigenschaften für ein Gebiet der Linse (66) oder Hornhaut (60) zu erlangen.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material die Hornhaut (60) des Auges (32) ist und das System ferner optische Elemente (30) zum Fokussieren des Lichtstrahls auf mehreren Schichten (78) der Hornhaut (60) umfasst.