WO2008138317A1 - Verfahren zur linearen optischen kohärenztomographie - Google Patents

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WO2008138317A1
WO2008138317A1 PCT/DE2008/000794 DE2008000794W WO2008138317A1 WO 2008138317 A1 WO2008138317 A1 WO 2008138317A1 DE 2008000794 W DE2008000794 W DE 2008000794W WO 2008138317 A1 WO2008138317 A1 WO 2008138317A1
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linear image
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Gereon Hüttmann
Peter Koch
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Universitaet Zu Luebeck
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium

Definitions

  • the invention relates to a method for optical coherence tomography, that is to say a method for generating optical interference patterns for determining the transit time distribution of the light returning from a sample.
  • Interferometers and methods for determining the transit time distribution of reflected or scattered light for examining a sample - mostly biological - are known under the name "Optical Coherence Tomography (OCT)."
  • OCT Optical Coherence Tomography
  • DE 199 29 406 A1 such a method becomes microscopic
  • the interferometer described here is based on the well-known Michelson interferometer and uses light from the near infrared spectrum with a short coherence length. The light is first divided into a sample and a reference component , directed to the sample or on a mirror, there scattered back or reflected, passed after coupling in optical fibers in a detection unit and there brought to the interference.
  • time domain OCT time domain OCT
  • a point detector in particular a photodiode
  • the reference arm length is changed by means of a suitable, generally periodically moved device (phase modulator)
  • phase modulator a depth interval (typically measuring depth) of typically 2 millimeters in the interior of the sample, which is detected by the detector, is examined
  • Light intensity is recorded as a function of time, demodulated and correlated with the simultaneously known reference arm length, in order to ultimately determine the depth-dependent scattering strength of the sample.
  • the interferometer according to WO 2002/084263 A1 operates in contrast to the TD
  • a pattern of interference fringes is produced on a detection screen. Due to the propagation time distribution of the light, an intensity distribution along a line on the detection screen results; hence the term "linear OCT", which distinguishes this method from TD-OCT.
  • a typical embodiment of this screen in particular for computer-aided evaluation, is a linear image sensor, e.g. a CCD camera. Also common is the term line sensor, if it is not composed of several, but only of a single row of light-sensitive pixels.
  • the measuring depth can be increased in a particularly simple manner by pivoting the reference beam against the sample beam when superposed on the line sensor. But at the same time this results in a finer spatial structure of the magnitude of the electric field - and thus of the light intensity distribution - directly at the detector.
  • the sampling theorem requires at least two samples per sample to sample a sine wave train Solid shaft. The subsampling of the interference signal is very unfavorable with line sensors, since they can only measure integrally over pixel areas, so that a signal sampled too low can not easily be reconstructed. For a purposeful evaluation, undersampling should be avoided.
  • DE 10 2004 033 187 B3 as well as DE 10 2006 031 822 show ways in which the undersampling can be counteracted by tilted superposition by providing interference fringes by masking the line sensor or by targeted grating diffraction of the beams to be superimposed common sensors are easy to grasp.
  • Prog. Phys. 66 (2003), 239-303) have proposed an OCT system for measuring the fundus length, which is called “dual-beam OCT.”
  • the light from a broadband light source is divided into two parts, which are then superimposed over time or distance
  • This light illuminates the sample, producing essentially two OCT signals that are shifted by the imprinted propagation delay, allowing the retinal signal portions to approach the signal from the cornea
  • Both superimposed signals can then be detected with a TD-OCT with a measuring depth of, for example, 2 mm, but only signals originating from the vicinity of the cornea and from the retina occur, whereas structures located therebetween can not produce a signal effective measurement range includes two widely spaced depth intervals.
  • the distances between the optical elements of the human eye it is necessary to know the distances between the optical elements of the human eye exactly.
  • DE 102 04 194 A1 describes a device in which different structures at different depths of the sample can be measured according to a rotating set of reference mirrors. In this arrangement, the actual measurement takes place in the
  • Optical grids can be produced comparatively easily, since it is no longer necessary to produce exactly 90 ° steps. But they have the disadvantageous for this application effect of light diffraction.
  • broadband light sources are used whose light leaves the grating at a wavelength-dependent angle.
  • the optical arrangement must now be designed to ensure that all light components on a grid line are guided on a single sensor cell. In principle, this can not be achieved in the presented simple arrangement, since here the grating must be arranged at the so-called Ltrowrow angle. Therefore, the individual grating atoms are at different depths z and can not all be perfectly imaged by the optics with finite depth of focus on the image sensor.
  • the distances of the depth intervals to be examined are determined by the determination of the differences of the reference arm lengths, as also suggested by Fercher.
  • the signal to be measured is the light intensity of the interference light as a function of time.
  • time mainly plays the role of an auxiliary quantity for translation e.g. in current positions of a reference mirror. If one has to operate several reference arms simultaneously, then the reference mirrors would have to move at preset, different speeds in order to enable a decomposition of the measuring light components onto the different reference arms. Each individual reference arm would, due to its impressed speed, lead to a passage of reference fringes on the point detector with a characteristic frequency. The total signal, recorded as a time series, would be filtered by these frequencies to isolate the components.
  • Phase modulators are not only expensive, but are also characterized by significantly non-linear behavior.
  • complex controls must be built in to achieve an approximately constant rate of change.
  • Other phase modulators such as rotating prisms, do not permit such linearization.
  • the "characteristic frequency of a reference arm" would be subject to fluctuations which would make the desired signal decay more difficult.
  • L-OCT extensive interference patterns I (x) are formed along the line sensor (pixel) coordinate x, which take the form of amplitude-modulated carrier waves.
  • the carrier wave is formed by the merge fringes, whereas the amplitude modulation represents the actual sample signal of interest.
  • interference patterns resulting from the superimposition of the sample light with a plurality of reference light beams can be decomposed so that the individual reference light beams strike the line sensor under their own angle, which is characteristic for the reference arm, against the sample beam.
  • the frequencies of the various carrier waves can be set once for all, e.g. by guiding sample and reference light into fibers, wherein the fiber ends are arranged at predetermined angles to each other with respect to the detector.
  • each carrier wave in turn must be suitable for sufficiently sampling their amplitude modulation, which is ultimately to be detected.
  • the sampling criterion for amplitude-modulated signals states that the carrier frequency must be at least twice as high as the highest frequency of the signal.
  • the interference signal resulting from interference of the sample light with any reference light beam has a frequency band and a center frequency (carrier frequency). This entire frequency band must be below the Nyquist frequency, which is defined by the pixels of the detector.
  • the interference signal which can be measured directly on the detector when using a plurality of reference arms which radiate in at different angles is nothing more than the superposition of a plurality of amplitude-modulated intensity signals.
  • the frequency bands of these signals ideally overlap the frequency range which can be scanned by the detector (between zero and Nyquist frequency) without overlapping.
  • the separation of the signals is then easily achieved by known post-processing steps, e.g. by Fourier transformation, filtering of the relevant frequencies and Fourier reverse transformation.

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Abstract

Verfahren zur optischen Kohärenztomographie für eine Mehrzahl beliebig beabstandeter Tiefenintervalle einer Probe, wobei das Interferenzsignal durch Überlagerung des alle Intervalle durchlaufenden Messlichtstrahls mit einer Mehrzahl von Referenzlichtstrahlen unterschiedlicher Referenzarmlängen erzeugt wird. Jedem Tiefenintervall ist ein Referenzarm zugeordnet, wobei die Abstände je zweier Tiefenintervalle den Differenzen der Referenzarmlängen der den Tiefenintervallen zugeordneten Referenzarmen entsprechen. Der Messlichtstrahl wird mit allen Referenzlichtstrahlen simultan auf einem linearen Bildsensor zur Interferenz gebracht. Dabei schliesst jeder Referenzlichtstrahl mit dem Messlichtstrahl einen anderen Winkel ein, so dass ein Interferenzmuster auf dem linearen Bildsensor erzeugt wird, das eine Superposition einer Mehrzahl amplitudenmodulierter Signale mit unterschiedlicher Trägerfrequenzen ist.

Description

Verfahren zur optischen Kohärenztomographie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Kohärenztomographie, also ein Verfahren zur Erzeugung optischer Interferenzmuster zur Ermittlung der Laufzeit- Verteilung des aus einer Probe zurückkehrenden Lichts.
Interferometer und Verfahren zur Ermittlung der Laufzeitverteilung von reflektiertem bzw. gestreutem Licht zur Untersuchung einer - meist biologischen - Probe sind unter der Bezeichnung „Optical Coherence Tomography (OCT)" geläufig. Beispiels- weise wird in DE 199 29 406 Al ein solches Verfahren zur mikroskopischen Auflösung von Oberflächenstrukturen wie auch zur Messung der Rückstreuung aus verschiedenen Tiefenlagen der Probe vorgestellt. Das dort beschriebene Interferometer basiert auf dem bekannten Michelson-Interferometer und verwendet Licht aus dem nahen Infrarotspektrum mit kurzer Kohärenzlänge. Das Licht wird zuerst in einen Proben- und einen Referenzanteil aufgeteilt, auf die Probe bzw. auf einen Spiegel gelenkt, dort zurückgestreut bzw. reflektiert, nach Einkopplung in Lichtleiterfasern in eine Detektionseinheit geführt und dort zur Interferenz gebracht.
In der Ausgestaltung als „Time-Domain OCT" (TD-OCT) befindet sich ein Punktde- tektor, insbesondere eine Photodiode, in der Detektionseinheit, und die Referenzarmlänge wird mittels einer geeigneten, i. a. periodisch bewegten Vorrichtung (Phasenmodulator) verändert. Interferenz tritt auf, wenn Streutiefe in der Probe und aktuelle Referenzarmlänge sich höchstens um die Kohärenzlänge des Lichts unterscheiden. Während einer Periode des Phasenmodulators wird so ein Tiefenintervall (i. F. Mess- tiefe) von typisch 2 Millimeter im Probeninnern untersucht. Die vom Detektor er- fasste Lichtintensität wird als Funktion der Zeit aufgezeichnet, demoduliert und mit der zugleich bekannten Referenzarmlänge korreliert, um letztlich die tiefenabhängige Streustärke der Probe zu bestimmen.
Das Interferometer nach der WO 2002/084263 Al arbeitet im Unterschied zur TD-
OCT ohne bewegte Teile, insbesondere ohne den üblichen Phasenmodulator zur Ver-
ERSATZBLATT änderung der Lichtlaufzeit im Referenzarm. Vielmehr tritt das aus dem Probenarm und dem Referenzarm des üiterferometers zurückkehrende Licht an zwei verschiedenen Orten in die Auswerteeinheit ein, in der es räumlich überlagert wird, wobei anhand der räumlichen Intensitätsverteilung in diesem überlagerten Bereich die Lauf- zeitverteilung des Lichts im Probenarm bestimmt wird. Es entsteht in Analogie zum bekannten Doppelspaltversuch ein Muster aus Interferenzstreifen (Fringes) auf einem Detektionsschirm. Dabei ergibt sich aufgrund der Laufzeitverteilung des Lichts eine Intensitätsverteilung entlang einer Linie auf dem Detektionsschirm; daher stammt die Bezeichnung „Lineare OCT", mit der dieses Verfahren von der TD-OCT unter- schieden wird.
Eine typische Ausgestaltung dieses Schirms, insbesondere für die rechnergestützte Auswertung, ist ein linearer Bildsensor, z.B. eine CCD-Kamera. Gängig ist auch die Bezeichnung Zeilensensor, wenn dieser nicht aus mehreren, sondern nur aus einer einzelnen Zeile von lichtsensitiven Pixeln aufgebaut ist.
Die Messtiefe der Linearen OCT (L-OCT) ist allerdings im Gegensatz zur TD-OCT begrenzt durch die Zahl der zur Verfügung stehenden Pixel, da mindestens 4 Pixel pro axialer Auflösung, die in der Regel 5 bis 15 μm beträgt, benötigt werden (Koch P, Hellemanns V, Hüttmann G (2006) Linear OCT System with extended measure- ment ränge. Opt Lett 31:2882-2884, DE 10 2006 031 822.6).
Mit gängigen Detektoren mit 1000 bis 2000 Pixel lassen sich nur Messtiefen von unter 5 mm realisieren. Werden größere Messbereiche gewünscht, ist es bis heute keine technisch gut praktikable Lösung einen Sensor mit höherer Pixeldichte zu verwenden
(Pixelanzahl ca. 10.000), da diese teuer in der Fertigung und überdies schwer auszulesen sind.
Zwar kann beim Aufbau der WO 2002/084263 Al die Messtiefe besonders einfach vergrößert werden, indem man bei der Überlagerung auf dem Zeilensensor den Referenzstrahl gegen den Probenstrahl verschwenkt. Aber dies hat zugleich eine feinere räumliche Struktur des Betrages des elektrischen Feldes - und damit der Lichtintensitätsverteilung - unmittelbar am Detektor zur Folge. Man erhält dann eine sehr viel höhere Anzahl von Interferenzstreifen auf derselben Detektorfläche. Insbesondere treten nun üblich mehrere Interferenzstreifen pro Pixel auf. Das Abtasttheorem verlangt aber zur Abtastung eines Sinuswellenzuges mindestens zwei Abtastungen pro Vollwelle. Die Unterabtastung des Interferenzsignals ist mit Zeilensensoren sehr ungünstig, da diese nur integrierend über Pixelflächen messen können, so dass ein zu niedrig abgetastetes Signal nicht ohne weiteres rekonstruiert werden kann. Für eine zweckmäßige Auswertung ist die Unterabtastung zu vermeiden.
Die DE 10 2004 033 187 B3 als auch die DE 10 2006 031 822 zeigen Wege auf, wie man der Unterabtastung bei verschwenkter Überlagerung entgegentreten kann, indem man durch Maskierung des Zeilensensors oder durch gezielte Gitterbeugung der zu überlagernden Strahlen für Interferenzmuster sorgt, deren Fringes mit gängigen Sensoren gut zu erfassen sind.
Es ist bis heute kaum mit vertretbarem Aufwand möglich, ein OCT-System für einen Messtiefenbereich von mehreren Zentimetern auszulegen. Gerade dies wäre für eini- ge medizinische Anwendungen wünschenswert. Immerhin ist es aber bereits gelungen, lokalisierte Strukturen, insbesondere Grenzflächen, die in der Probe einen Abstand von mehreren Zentimetern zueinander in Strahlrichtung aufweisen, mit ein und demselben OCT-Scan zu untersuchen.
Fercher et al. („Optical coherence tomography - prindples and applications", Rep.
Prog. Phys. 66 (2003), 239-303) haben ein OCT-System zur Messung der Funduslänge vorgeschlagen, das „Dual Beam OCT" genannt wird. Hierbei wird das Licht einer breitbandigen Lichtquelle in zwei Anteile aufgeteilt, die dann zeit- bzw. wegstreckenversetzt wieder überlagert werden. Mit diesem Licht wird dann die Probe be- leuchtet. Auf diese Weise werden im Wesentlichen zwei OCT Signale erzeugt, die um den eingeprägten Laufzeitunterschied verschoben sind. Damit ist es möglich, die Signalanteile der Retina in die Nähe des Signals von der Cornea zu verschieben. Beide überlagerten Signale können dann mit einem TD-OCT mit einer Messtiefe von z.B. 2 mm erfasst werden. Es entstehen aber eben nur Signale aus dem Nahbereich der Cornea und aus dem der Retina, während dazwischen liegenden Strukturen zu keinem Signal führen können. Der effektive Messbereich umfasst zwei weit voneinander beabstandete Tiefenintervalle.
Beispielsweise für die Implantation von Kunstlinsen zur Behandlung des Grauen Stars ist es notwendig, die Abstände zwischen den optischen Elementen des menschlichen Auges genau zu kennen. Insbesondere muss die Gesamttiefe, d.h. der Abstand - A -
zwischen Corneavorderseite und Retina (Funduslänge) bekannt sein. Eine noch präzisere Auswahl der Kunstlinse gelingt, wenn zusätzlich noch alle anderen Ebenenabstände zwischen der Cornea (Vorder- und Rückseite), Linse (Vorder- und Rückseite) und Retina bekannt sind. Das wesentliche technische Problem bei dieser Anwendung ist die große Messtiefe, die erforderlich ist, um den gesamten Fundus mit einer Länge von ca. 40 mm aufnehmen zu können. Zur Bestimmung dieser Ebenenabstände werden zurzeit bevorzugt Geräte verwendet, die auf der Basis der TD-OCT Technologie entwickelt worden sind.
Der Nachteil des Ansatzes von Fercher et al. liegt in der Überlagerung der Signale selbst. Nachdem sie überlagert worden sind, können die Signale der Cornea nicht mehr von denen der Retina unterschieden werden. Da menschliche Augen erhebliche Unterschiede in der Funduslänge aufweisen, ist relativ schwer sicherzustellen, dass beide Signale in jedem Fall separierbar erfasst werden.
In anderen Vorrichtungen werden die unterschiedlichen Lauflängen im Referenzarm- strahlengang mittels eines Stufenspiegels eingeprägt. In der DE 102 04 194 Al wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der mit einem rotierend angeordneten Satz von Referenzspiegeln verschiedene Strukturen in verschiedenen Tiefen der Probe gem.es- sen werden können. In dieser Anordnung erfolgt die eigentliche Messung aber im
Sinne eines zeitaufgelösten OCTs, d.h. die optische Weglänge im Probenarm muss zur Veπnessung der Streuamplituden an jeder gewählten Stelle über einen gewissen Bereich variiert werden.
In den Vorrichtungen gemäß DE 195 20 305 Al, US 4,309,109 und US 6,268,921 Bl werden ebenfalls Stufenspiegel verwendet. In diesen Fällen werden aber nicht einzelne Schichten in der Probe selektiert, sondern die Stufentiefe wird hier so gewählt, dass sie kleiner als die Kohärenzlänge der verwendeten Quelle ist. Dadurch kann auf eine kontinuierliche Veränderung der optischen Weglänge in einem der beiden Arme des Interferometers ganz verzichtet werden. Stattdessen ist es nun möglich, die Streuamplituden tiefenaufgelöst ans den Interferenzsignalen des Probenlichts mit den Referenzlichtanteilen, die von den einzelnen Stufen des Spiegels reflektiert werden, zu rekonstruieren. Die Signalentstehung entspricht im wesentlichen der der zeitaufgelösten OCT mit dem Unterschied, dass hier keine kontinuierlichen Signale mehr erfasst werden, sondern lediglich Interferenzamplituden an einzelnen
Stützstellen ermittelt werden. Alle hier vorgestellten Verfahren leiden unter großen Schwierigkeiten bei der Herstellung von Stufenspiegeln mit Stufenhöhen von wenigen μm und vielen hundert Stufen.
Wenn die Anzahl der Stufen im Spiegel sehr groß wird, entspricht die Wirkungswei- se eher der eines optischen Gitters. Eine entsprechende Vorrichtung ist in WO
2005/032360 Al beschrieben. Optische Gitter lassen sich vergleichsweise einfach herstellen, da nun nicht mehr exakt 90° Stufen gefertigt werden müssen. Sie haben aber den für diese Anwendung nachteiligen Effekt der Lichtbeugung. In allen bisher beschriebenen Verfahren werden breitbandige Lichtquellen benutzt, deren Licht das Gitter unter einem wellenlängenabhängigen Winkel verlässt. Um eine Weißlichtinterferenz zu erhalten muss die optische Anordnung nun dazu ausgelegt sein, alle an einer Gitterlinie gebengten Lichtkomponenten auf einer einzigen Sensorzelle zu- saxrurienzuführen. Das kann in der vorgestellten einfachen Anordnung prinzipiell nicht gelingen, da hier das Gitter im so genannten Li ttrow- Winkel angeordnet wer- den muss. Deshalb befinden sich die einzelnen Gitterlmien in verschiedenen Tiefen z und können von einer Optik mit endlicher Tiefenschärfe nicht alle perfekt auf den Bildsensor abgebildet werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur OCT für voneinander sepa- rierte, beliebig weit beabstandete Tiefenintervalle einer Probe vorzuschlagen, wobei das Interferenzsignal durch Überlagerung des alle Intervalle durchlaufenden Probenlichts mit einer Mehrzahl von Referenzlichtstrahlen unterschiedlicher Referenzarmlänge erzeugt wird, so dass das Interferenzsignal nach Anteilen einer beliebigen Auswahl der Intervalle separiert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Es ist offensichtlich, dass die Abstände der zu untersuchenden Tiefenintervalle durch die Festlegung der Differenzen der Referenzarmlängen erfolgt, wie dies auch von Fercher vorgeschlagen wurde.
Die Zerlegung von Signalen, die sich etwa durch Überlagerung gleichartiger Signale aus verschiedenen Quellen bilden, ist ein wohlbekanntes Problem der Nachrichten- technik (einfaches Beispiel: Radio). Normalerweise separiert man solche Signale durch filtern nach bekannten Charakteristika, die bereits quellenseitig eingeprägt sind (z.B. Frequenzband). Auf die OCT mit mehreren Referenzarmen ist dies durchaus übertragbar, wenn man das Gesamtsignal als Überlagerung von Signalen einer Mehrzahl von Merferometern begreift, die einen gemeinsamen Probenarm aufweisen.
Zur Zuordnung der Interferenzsignale zu den einzelnen Messbereichen ist dem jeweiligen Referenzarm ein Charakteristikum einzuprägen, das die nachträgliche Zerlegung des Gesamtsystems wieder erlaubt. Dies ist der Grundgedanke der Erfindung, der sich in erstaunlich einfacher Weise umsetzen lässt.
Zur Erläuterung der Erfindung soll zuerst ein TD-OCT betrachtet werden. Wie eingangs beschrieben ist das zu messende Signal die Lichtintensität des Interferenzlichts als Funktion der Zeit. Die Zeit spielt hierbei jedoch hauptsächlich die Rolle einer Hilfsgröße zur Übersetzung z.B. in momentane Positionen eines Referenzspiegels. Hat man nun mehrere Referenzarme simultan zu betreiben, so müssten sich die Refe- renzspiegel mit vorgegebenen, unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, um eine Zerlegung der Messlichtanteile auf die verschiedenen Referenzarme zu ermöglichen. Jeder einzelne Referenzarm würde infolge seiner eingeprägten Geschwindigkeit zu einem Durchlauf von Literferenzfringes auf dem Punktdetektor mit einer charakteristischen Frequenz führen. Das Gesamtsignal, aufgezeichnet als Zeitreihe, wäre nach diesen Frequenzen zu filtern, um die Anteile zu isolieren.
Dieser Ansatz hat einige technische Nachteile. Phasenmodulatoren sind nicht nur teuer, sondern überdies von erheblich nicht-linearem Verhalten gekennzeichnet. Tatsächlich müssen etwa bei Vorrichtungen, die über das Strecken von Glasfasern mit- tels Piezo-Aktuatoren die Referenzarmlänge ändern, komplexe Regelungen eingebaut werden, um eine näherungsweise konstante Änderungsgeschwindigkeit zu realisieren. Andere Phasenmodulatoren wie etwa rotierende Prismen lassen eine solche Linearisierung gar nicht zu. Infolgedessen wäre die „charakteristische Frequenz eines Referenzarms" (s. o.) Schwankungen unterworfen, die die angestrebte Signalzerle- gung erschweren würden.
Die vorstehende Lösung für das Separationsproblem ist technisch nicht unaufwendig und somit keine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Gleichwohl weist sie den richtigen Weg, der mittels eines L-OCT sehr einfach beschritten werden kann. Beim L-OCT bilden sich ausgedehnte Interferenzmuster I(x) entlang der Zeilensen- sor-(Pixel-)Koordinate x aus, die die Gestalt amplitudenmodulierter Trägerwellen besitzen. Die Trägerwelle wird durch die Merferenz-Fringes gebildet, wohingegen die Amplitudenmodulation das eigentlich interessierende Probensignal darstellt.
Erfindungsgemäß werden nun Interferenzmuster, die sich aus der Überlagerung des Probenlichts mit mehreren Referenzlichtstrahlen ergeben, dadurch zerlegbar, dass die einzelnen Referenzlichtstrahlen jeweils unter einem eigenen, für den Referenzarm charakteristischen Winkel gegen den Probenstrahl auf den Zeilensensor treffen.
Es ist sofort einzusehen, dass die Interferenzlichtanteile, die von jedem einzelnen Referenzarm herrühren, zu einer jeweils anderen Fringe-Frequenz auf dem Detektor führen müssen. Von daher lassen sich die Frequenzen der verschiedenen Trägerwellen ein für alle mal apparativ festlegen, z.B. indem Proben- und Referenzlicht in Fa- sern geführt wird, wobei die Faserenden unter vorab bestimmten Winkeln zueinander gegenüber dem Detektor angeordnet werden.
Natürlich kann man die Referenzarme auch variabel verschwenkbar ausbilden und so eine auf das jeweilige Messproblem einstellbare Anordnung gestalten.
Die von den verschiedenen Referenzarmen herrührenden unterschiedlichen Trägerfrequenzen lassen sich mit den im Stand der Technik zitierten Methoden (z.B. Masken oder Gitter) immer so einrichten, dass sie -jede für sich - mit der durch den Zeilensensor apparativ vorgegebenen Abtastrate gut erfasst werden können. Dabei ist zu beachten, dass jede Trägerwelle ihrerseits zur ausreichenden Abtastung ihrer Amplitudenmodulation geeignet sein muss, die letztlich erfasst werden soll.
Das Abtastkriterium für amplitudenmodulierte Signale besagt, dass die Trägerfrequenz wenigstens doppelt so groß sein muss wie die höchste Frequenz des Signals. Das Interferenzsignal, das durch Interferenz des Probenlichts mit irgendeinem Referenzlichtstrahl entsteht, besitzt ein Frequenzband und eine Mittenfrequenz (Trägerfrequenz). Dieses gesamte Frequenzband muss unterhalb der Nyquist-Frequenz liegen, die apparativ durch die Pixel des Detektors festgelegt ist.
Daraus ergibt sich eine wichtige Einschränkung des erfindungsgemäßen Vorgehens: Wenn mehrere Referenzarrne verwendet werden, ist jeder einzelne so einzurichten, dass das seinem Interferenzsignal zugehörige Frequenzband vollständig abgetastet wird und dabei möglichst nicht mit den Frequenzbändern der anderen Arme überlappt. Anderenfalls erschwert das Übersprechen benachbarter Signale die gewünschte Separation. Dadurch wird weiterhin der gesamte messbare Bereich in seiner Län- ge, d. h. in der Summe aller einzelnen Messbereiche, begrenzt.
Das unmittelbar auf dem Detektor messbare Interferenzsignal ist bei Verwendung mehrerer, unter verschiedenen Winkeln einstrahlender Referenzarme nichts anderes als die Superposition einer Mehrzahl amplitudenmodulierter Intensitätssignale. Ide- alerweise überdecken die Frequenzbänder dieser Signale ohne Überschneidung den vom Detektor abtastbaren Frequenzbereich (zwischen Null und Nyquist-Frequenz).
Die Separation der Signale ist dann leicht durch bekannte Nachbearbeitungsschritte zu erreichen, z.B. durch Fouriertransformation, Filtern der relevanten Frequenzen und Fourierrücktransformation.
Abschließend sei noch daraufhingewiesen, dass mehrere Referenzlichtstrahlen ebenfalls untereinander interferieren können. Die Weglängenunterschiede zwischen den Referenzarmen können jedoch immer so eingerichtet werden, dass diese hiterferen- zen nicht auf den Detektor fallen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur optischen Kohärenztomographie für eine Mehrzahl beliebig beab- standeter Tiefenintervalle einer Probe, wobei das Interferenzsignal durch Überlagerung des alle Intervalle durchlaufenden Probenlichts mit einer Mehrzahl von Referenzlichtstrahlen unterschiedlicher Referenzarmlänge erzeugt wird, wobei
- jedem Tiefenintervall ein Referenzarm zugeordnet wird, - die Abstände je zweier Tiefenintervalle den Differenzen der Referenzarmlängen der den Tiefenmtervallen zugeordneten Referenzarmen entsprechen,
- das Probenlicht mit allen Referenzlichtstrahlen simultan auf einem linearen Bildsensor zur Interferenz gebracht wird, und
- jeder Referenzlichtstrahl einen anderen Winkel mit dem Probenlichtstrahl ein- schließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Interferenzmuster auf dem linearen Bildsensor erzeugt wird, dass sich als Superposition einer Mehrzahl amplitudenmodulierter Signale mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen ergibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der superponier- ten amplitudenmodulierten Signale durch Auswahl des Winkels zwischen Probenlichtstrahl und jeweils einem der Referenzlichtstrahlen so eingerichtet wird, dass sein gesamtes Frequenzband unterhalb der Nyquist-Frequenz des linearen Bildsensors liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzbänder aller superponierten amplitudenmodulierten Signale nicht überlappend unterhalb der Nyquist-Frequenz des linearen Bildsensors eingerichtet werden.
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