WO2009043557A1 - Kurzkohärenz-interferometer - Google Patents

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Carl Zeiss Meditec Ag
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Definitions

  • the invention relates to a short-coherence interferometer arrangement for measuring a plurality of axially spaced regions of a sample, in particular of the eye, which min.
  • the invention further relates to a short-coherence interferometer arrangement for measuring a plurality of axially spaced regions of a sample, in particular of the eye, which min.
  • Such short-coherence interferometer arrangements are known for optical imaging by means of optical coherence tomography, for example from WO 2007/065670 A1.
  • they use an interference of several measuring beams, each with a separate reference beam, the second-mentioned variant superimposed several individual measuring beams in pairs, which is also referred to as a so-called “dual beam” interferometer.
  • Optical coherence domain reflectometry is used to determine the location and size of
  • optical coherence tomography in particular in the form of the FD-OCDR, is the fixed combination of measuring range and measuring resolution.
  • the state of the art knows many documents, which include the measurement of objects in areas that are geometrically larger than the desired resolution by several orders of magnitude.
  • An example of such a measuring task is the measurement of areas on the human eye, e.g. the detection of structures both in the anterior region of the eye, for example on the cornea, and on the retina.
  • Interferometeran an inch, each of which is composed of its own reference and an associated arm. By different coordination of these multiple combined in a device, stand-alone interferometer can be measured simultaneously at different locations in the eye.
  • the document describes various approaches to differentiate the radiations in the combined interferometers, for example with regard to the polarization of the radiation or its
  • the object of the invention is to provide a short-coherence interferometer arrangement which can detect a plurality of axially spaced regions of a sample, wherein the regions may be further apart than the parameters of the OCDR variant, such as the spectral Resolution in the FD-OCDR, allow resulting range, and further where a particularly high sensitivity is given, so even weak backscattering points in the sample can be detected.
  • a short-coherence interferometer arrangement of the type mentioned, in which the superposition has multiple outputs, each of which a detector is arranged, wherein the superimposing unit receives the same reference radiation for the superposition, at each output a mixture of several superimposed with the reference radiation Single measuring beams emits, each mixture contains several of the individual measuring beams, superimposed with the reference radiation in different phase position.
  • the invention uses only one reference arm in the interferometer. This not only results in an advantageous structural simplification. You can also reach a high
  • the reference light component substantially or mainly contributes, such as shot noise.
  • the spurious noise is the largest noise source (shot noise limited operation) and thus the measurement signal is small compared to the reference signal
  • the signal / noise ratio usually corresponds to the number of detected Meßungsphotonen, since the signal component corresponds to the product of the numbers of interfering measuring and reference light photons during the Noise is proportional to the number of reference light photons.
  • the noise component increases corresponding to the sum of the reference photons contained in the reference light components.
  • the signal share still only corresponds to the product of measuring light photons with the photons of a single tuned reference light component. This means that the signal-to-noise ratio for the individual measuring signals decreases.
  • the solution according to the invention with a plurality of measuring signals matched to only one reference arm, allows limiting the noise to the contribution caused by only the one reference light component for the same signal variables.
  • the shot noise-limited signal-to-noise ratio is worse by a factor of 2 or 3 dB compared with the use of only one reference signal the two measuring signals are tuned individually.
  • the object is further achieved by a short-coherence interferometer arrangement for measuring a plurality of axially spaced regions of a sample, in particular of the eye, which min.
  • a Meßstrahlengang through which several individual measuring beams fall on the sample, wherein the individual -Measurements are axially offset upon incidence on the sample by an amount that is matched to the axial spacing, and the interferometer at least two of the individual measuring beams interfere interfered with each other, the interferometer superimposed on each of the two individual measuring beams interfering with each other and then directed to an associated own detector.
  • the invention uses individual measuring beams which are axially individually delayed so that an interference signal occurs at the associated detector after the superimposition device.
  • the separated individual measuring beams can simultaneously detect axially spaced regions of the sample whose spacing is much greater than the axial measuring range for one of the individual measuring beams.
  • the measuring radiation preferably originates from a beam source which is designed to carry out the SS-OCDR, that is to say can be tuned.
  • a beam source which is designed to carry out the SS-OCDR, that is to say can be tuned.
  • the invention is quite fundamentally also possible and achievable for the SD-OCDR (that is to say with spectral analysis of non-tuned radiation) or the TD-OCDR (with tuning of the interference condition in the interferometer, for example adjustment of the length of a reference beam path).
  • the division of the individual measuring beams can be effected from a common measuring beam, ie after the superimposing device has separated the measuring beam path and the reference beam path from an original beam provided by the beam source.
  • a radiation source providing a measuring radiation which emits an original beam
  • the superimposition device divides certain intensity components of the original beam into the measuring beam path and the reference beam.
  • a lens device which separates the measuring radiation into the individual measuring beams, these axially offset (delayed) against each other and at the same time focused with different focal lengths on the sample.
  • a particularly compact lens device is obtained when it provides the individual measuring beams by means of a pupil division, wherein each individual measuring beam is assigned a separate pupil area of the lens device and the optical path lengths and possibly also the imaging properties of the pupil areas are different.
  • Such a lens device is also possible independently of the short-coherence interferometer arrangement described, so that it can be provided as an independent invention, a lens device which separates a supplied beam into individual beam bundles, which delays individual beam bundles against each other and possibly also gives different focuses, wherein the lens device has a divided pupil, a separate pupil region is assigned to each individual beam bundle, and the optical path lengths, dispersions and possibly also the imaging properties of the lens device in the separate pupil regions are different.
  • Particularly expedient is a (of course also in the context of the short-coherence interferometer arrangement possible) development in which the lens device has a glass body with two lens surfaces and on a lens side along the optical axis extending into the glass body bore is formed.
  • the depth of the bore is then responsible for the mutual retardation of the single beams, as this results in a different optical path length through the glass body for the individual beams.
  • the optical properties of the bore bottom and the lens surface in which the bore is introduced, may also differ. Any differences affect the different focussing of the individual rays.
  • the delay and the focusing of the individual beams are thus independently set or selected when designing the lens device.
  • the cavity in the vitreous body in whole or in part with a material having different optical properties compared with the rest of the vitreous body, i. especially refractive index and dispersion, to achieve the desired optical retardation and / or dispersion ratios.
  • An alternative to generating the single measuring beams from a common measuring beam, i. after separation of the reference beam path lies in the fact that the superimposition device divides the individual measuring beams directly directly from the original beam.
  • a polarization separation is also regularly limited to a maximum of two separated beams, whereas an intensity distribution, as is possible for example with fiber couplers, can also generate more than two separated beams. It is therefore preferred in a development of the invention that the measuring beam path has different lengths of individual measuring beam paths for the individual measuring beams and the superimposing device divides certain intensity components of the original beam into the individual measuring beam paths. Optionally, the superimposition device can also divide a certain intensity component of the original beam in the reference beam path.
  • the separation of the original beam into the individual measuring beams and (if not worked in the dual-beam version) the reference beam can be done after intensity levels particularly easy with a 3x3 fiber coupler or two combined 2x2 fiber coupler, as for example in the above mentioned US 2006/0109477 A1 with the cooperation of the inventor of the present application have already been described.
  • the disclosure of this document is expressly incorporated here in terms of the mode of action, the structure and the possibilities of such fiber couplers.
  • the superimposing device outputs at the outputs in each case a mixture of at least two individual measuring beams, which are each superimposed with the reference beam, wherein the reference beam at the superposition for each individual measuring beams an individual phase difference is effected, which causes the individual measuring beams to the reference beam experience a different relative phase in the superposition.
  • the phase difference is for example 180 °, which makes it particularly advantageous to realize a balanced detection, as already mentioned.
  • Each detector thus receives a mixture of several individual measuring beams, each superimposed with the reference beam with different relative phase angle.
  • the individual measuring beams may have substantially equal proportions, but also an asymmetric composition in the mixture is possible in which one of the individual measuring beams in the mixture has a disproportionate share, in particular over 90%. Of course, this increase in share is at the expense of the other single measuring beam or the other single measuring beams.
  • the simultaneous detection of the measuring range signals enables a compensation of position errors as a result of axial sample movement in distance measurements.
  • the otherwise negative effects of axial sample movements on FD-OCT are described, for example, in Yun et al., Opt. Express. 12, 2977 (2004) "Motion artifacts in optical coherence tomography with frequency-domain ranging".
  • a particularly high accuracy of detection can be achieved if the superimposition of the individual measuring beams (either with the reference beam or, in the case of the dual-beam variant with at least one other individual measuring beam) results in a loss of less than 50%. In the approaches of the prior art, this feature is not feasible because there, for example, a polarization separation or a spectral separation always causes higher losses.
  • the signal quality in the interference depends on the degree of interference which the individual measuring beams brought into interference can have at all.
  • the polarization state is significant, since, for example, orthogonal linearly polarized beams can not sometimes interfere. It is therefore preferred that in the Meßstrahlengang an effective for all individual measuring beams polarization controller is provided, which adjusts the polarization states of the individual measuring beams to each other or equal to the polarization state of the reference beam before the superposition of the individual measuring beams (unless with dual beam Version is worked).
  • Faraday rotators can be used in the individual measuring beams and in the reference arm to realize an automatic adjustment of polarization states in the superimposition.
  • Faraday rotators in the sample and reference arm of an OCT interferometer are described in US7126693.
  • a single polarization controller is used to equalize the polarization state of the reference radiation in the superposition with the individual measuring beams.
  • the individual measuring beams are separated directly from the original beam
  • the described arrangement is of course designed to OCDR by means of tunable radiation source (SS-OCDR), which is why a corresponding embodiment is preferred.
  • SS-OCDR tunable radiation source
  • the arrangement makes it possible to detect a sample in areas which are more axially spaced than the measuring range allows, e.g. in the case of SS-OCDR, the spectral line width of the tunable radiation source, TD-OCDR by the adjustment path of the reference arm of the interferometer, and SD-OCDR by the spectral resolution of the detection. It is therefore preferred that the axial offset of the individual measuring beams is greater than a given by the tunability of the interferometer arrangement or by the spectral splitting and detection range.
  • the variants of the arrangement according to the invention described here can also be designed for the lateral scanning of a sample, in particular for imaging.
  • at least one scanning device is provided for scanning the sample by lateral mutual displacement of sample and at least one of the individual measuring beams.
  • the scanning device is therefore effective for at least one of the individual measuring beams.
  • ocular lens imaging including determination of its shape and position (oblique position of the lens, i.e., angles between the optical axis and visual axis, curvature of the posterior lens surface, curvature of the anterior lens surface), is preferably applied to the eye. Imaging in the area of the retina is also possible, especially in the area of the fovea.
  • the scanning device for at least one of the individual measuring beams advantageously also allows a combined measurement, which goes beyond simple distance measurement or topography detection. Missing a moving object, such as the human eye, there is always the problem that eye movements during the measurement process lead to a falsification. This is particularly troublesome in scanning scanning by optical coherence tomography.
  • the arrangement according to the invention now makes it possible to use one of the individual measuring beams for detecting the distance of a reference point, for example the corneal vertex or the retina, and out Any changes in distance a measure of the movement of the sample, for example, the eye to win. The movement of the reference point can then be used to correct the measurement data obtained by simultaneous lateral scanning at a different location of the sample.
  • the arrangement comprises a corresponding control device which carries out the above-described referencing by detecting the axial position of a reference point by means of a single measuring beam or by detecting the three-dimensional position of a reference point by using a stand-alone scanned single measuring beam and the arrangement controls.
  • Fig. 1 is a SS-OCDR interferometer with balanced detection for simultaneous
  • FIG. 3 is a schematic representation of an interferometer similar to that of FIG. 2,
  • Fig. 4 is a representation similar to that of Fig. 3 with the illustration of the effect of a
  • FIG. 5 shows an interferometer representation similar to that of FIG. 4, but in FIG
  • FIG. 6 is a schematic view similar to that of FIG. 4, but for an interferometer arrangement with balanced detection
  • FIG. 7 shows an interferometer arrangement similar to that of FIG. 6, but with additional lateral scanning of the sample.
  • FIG. 8 shows an interferometer arrangement similar to that of FIG. 7, but as a dual-beam
  • 9a is a schematic drawing of a beam splitter device in the interferometer of
  • FIG. 9b shows a change wheel with different beam splitter devices according to FIG. 9a, FIG.
  • 10 - 12 are schematic diagrams of beam splitter devices in the interferometers of
  • Fig. 13-15 OCDR interferometer similar to that of Fig. 1, wherein the construction in these figures allow an exact balanced detection, the phase difference between the interference read detectors is exactly 180 °, wherein
  • Fig. 14 shows a modification of the construction of Fig. 13 with transmissive
  • FIG. 15 is a construction similar to that of FIG. 14, but with a differently configured superposition device and
  • Fig. 16 shows a construction similar to that of Fig. 15, but with two independent ones
  • Fig. 1 shows schematically an interferometer for SS-OCDR. Radiation from a beam source Q, which is tunable and, for example, a line width of less than 30 pm, preferably from
  • the interferometer I serves to detect different partial regions T 1 and T 2 on a sample P, which in the exemplary embodiment is an eye A.
  • a sample P which in the exemplary embodiment is an eye A.
  • the subregions T 1 and T 2 are shown in points in FIGS. 1 and 2. This is only for clarity.
  • the subregions naturally extend over an area that extends along the axis of incidence of the radiation.
  • the maximum measuring depth limited in the SS-OCDR by the line width of the tunable radiation source Q is not so great that both the partial area T 1 and the partial area T 2 could be detected in a tuning operation.
  • the distance d between the subregions is too far for this.
  • scanning depths of about 35.2 mm can be realized, which corresponds only to parts of possible eye lengths, for which reason several axially offset portions are advantageous for use on the eye.
  • the radiation of the laser beam source Q is conducted via an optical fiber 1 to a coupler K, which acts as a superposition device and will be explained below.
  • the coupler K branches off part of the radiation from the optical fiber 1 into a reference beam path R which is essentially provided by an optical fiber 2, at the end of which a mirror device is provided (for example by end mirroring of the fiber), is realized.
  • Another part of the radiation from the optical fiber 1 is fed into the Meßstrahlengang M starting with an optical fiber 4.
  • the coupler K causes not only a coupling of the radiation of the laser source Q, which thus provides the source beam for the interferometer I, but also a distribution and
  • the thus brought to interference signals are from
  • Detectors D 1 and D 2 collected and subsequently amplified by means of a balanced detection with a differential amplifier 13.
  • each detector D 1 and D 2 receives a mixture of the measuring beams superimposed with the radiation from the reference beam path, but between the inputs III and IV of the coupler, the individual measuring beams with a relative phase difference in the superposition with the radiation from the reference beam R have experienced. In the mixture, the individual measuring beams are contained in equal proportions.
  • the coupler K is thus effective both for the division of the original beam and for the superposition of the reference beam with the measuring radiation.
  • the measuring radiation is composed of individual measuring beams (as will be explained).
  • the coupler has connections I - VI.
  • the coupler K passes, for example, 80% to terminal Il and 20% to terminal IV and 0% to terminal Vl 1 as in the optical fiber 6 coupled radiation in the present structure is not further exploited.
  • the radiation which is supplied at terminal Il is conducted to 10% to terminal III, 10% to terminal V and 80% to terminal I.
  • the interferometer I of FIG. 1 thus utilizes the radiation from the measuring beam path to a high percentage, but uses the intensity that the laser beam source Q in the Optical fiber 1 feeds, only 20%. This is relatively unproblematic, since it is much easier to use a powerful laser beam source Q, as to compensate for a strong Meßsignallite. Since the composition of the coupler K is a comparatively excessive excess of radiation in the reference beam path R, this radiation can be used otherwise, for example for the spectral calibration of the laser beam source Q or to trigger the signal recording.
  • the radiation directed to the sample P in the measuring beam path M is split from the optical fiber 4 by means of a monolithic beam separator 8, which provides the already mentioned individual measuring beams M 1 and M 2 , which are delayed from one another.
  • the delay reaches the monolithic beam separator 8, which will be explained later, by different glass paths for the single measuring beams M 1 and M 2 .
  • the delay is tuned to the distance d by which the regions T 1 and T 2 (from the coupler to the sample and back) are spaced at the eye A.
  • the thus uniform overall length of the measuring beam path M is tuned to the length of the reference beam path R.
  • the monolithic beam separator also causes a different focus, ie it ensures that the single measuring beam M 2 is focused in the area T 2 and single measuring beam M 1 in the end in the area T 1 .
  • the single measuring beam M 1 or the M 2 to turn off is optional as a blocking element z.
  • a movable aperture 24 is provided, which shadows the respective individual measuring beam.
  • the diaphragm 24 is thus designed so that it dimmers the pupil area in which the monolithic beam separator 8 provides the single measuring beam M 1 .
  • a different or additional aperture 24 is provided, which is designed in the form of a ring diaphragm and can only pass the single measuring beam M 1 .
  • tunable light sources SS-OCDR have also been described. If, however, a broadband light source such as a superluminescent diode (SLD) is used as the radiation source Q and the detectors D are designed as spectrometers, then an SD-OCDR variant of the short-coherence interferometer arrangement is described which likewise has the described advantages. Interferometer arrangements with several spectrometers for quadrature component determination is known from US 2004/0239943. If the broadband source Q is maintained and the reference arm R is designed such that its optical length can be varied rapidly, then a TD-OCDR variant of the interferometer arrangement is realized. A suitable arrangement for rapidly varying the optical length of reference arms (rapid scanning optical delay line, RSOD) is described, for example, in US Pat. No. 6,654,127.
  • RSOD rapid scanning optical delay line
  • Fig. 2 offers, if safety-driven limitations of the power of the laser beam source Q or boundary condition, line width, Tuning range and tuning rate show it, so for example would like to work with particularly low power lasers.
  • interferometer I of FIG. 2 differs from the construction shown in FIG. 1 essentially in two aspects.
  • Meßstrahlengang M The differences in Meßstrahlengang M are due to the fact that the coupler K is the source beam of the laser beam source Q from the optical fiber 1 both in the optical fiber 4 (ie, the terminal IV of the coupler K) and in the optical fiber VI (ie, the terminal VI of the coupler K) ,
  • the generation of the individual measuring beams thus does not take place from a previous common measuring beam, but happens directly at the beam splitting device, in this case the coupler K.
  • the individual measuring beams M 1 , M 2 then propagate via a polarization controller 7.1 or 7.2, the as already explained for FIG. 1, in the end ensures that that the individual measuring beams have the same direction of polarization after the return from the sample A to one another and above all to the reference beam R.
  • Lenses 9.1 and 9.2 ensure that the individual measuring beams are focused on the respective regions T 1 and T 2 of the sample.
  • connection IV of coupler K to region T 1 equals the optical path length from connection VI to region T 2 (and both also the optical path length of the reference beam path R).
  • this is schematically indicated by different loops in the optical fibers 4, 6.
  • the coupling coefficients of the coupler K are now in a preferred embodiment for the interferometer I of FIG. 2 as follows: the distribution of the source beam, supplied at port I is 60% on the terminal Il and 20% each to the terminals IV and VI , The intensity of the source beam, i. The power of the laser radiation source Q, is thus 40% and thus twice as well utilized, as in the interferometer I of FIG. 1st
  • the returning at terminal IV single measuring beam M 1 is passed to 80% to terminal III and 20% to terminal I.
  • a feedback to 0% takes place.
  • 0% between the Terminals IV and V can be realized only with unfavorable effort, a degree of coupling less than or equal to 5% (especially 4%) can be used.
  • the degree of coupling between the terminals VI and V then decreases accordingly from 80%.
  • the intensity of the individual measuring beams M 1 and M 2 is therefore conducted to 80% to the respective associated detectors D 1 and D 2 .
  • connection Il is coupled to 60% with connection I, in each case to 20% with the connections V and VI and in each case to 20% with the connections III and IV.
  • the individual detection with the aid of the detectors D 1 and D 2 makes it possible to detect the respective scattering intensity in the area T 1 or T 2 without disturbing influences from the respective other area.
  • the energy distribution via the coupler K is particularly advantageous when assuming a laser radiation upper limit on the sample of 2 mW at the wavelength of 1, 05 .mu.m and the source supplies 5 mW. Then the described symmetrical distribution of radiation to the terminals III and V, where the detectors D 1 and D 2 are connected via the optical fibers 3 and 5, optimal.
  • Coupler K of FIG. 2 It is therefore also here that is mixed at the output V: the signal at terminal VI superimposed with the signal at terminal Il and the signal at terminal IV superimposed with the signal at terminal II. In the mixture, the signals at both terminals VI and IV superimposed with the reference radiation from the terminal Il in different relative phase.
  • the coupler of Fig. 2 causes an asymmetric mixture in which the signal from one of the terminals VI and IV disproportionate share in the mixture, in particular over 90% and 95%.
  • the optical fiber 3 which leads predominantly the superimposed signal from the optical fibers 4 and 2.
  • Fig. 2 shows an example of a non-uniform composition at the outputs V and III of the coupler K.
  • FIG. 3 shows the interferometer structure of FIGS. 1 and 2 in a schematic representation.
  • the reference symbol v denotes a delay path
  • the reference symbol O an optic
  • the reference symbol F a fiber
  • the reference symbol A an output.
  • the respective indices arrange these quantities, as already made with reference to FIGS. 1 and 2 for the detectors D and the individual measuring beams M, these quantities to the respective individual measuring beams.
  • the regions T 1 , T 2 T N which are detected on the sample P.
  • the fiber coupler K which can also be realized by a combination of a plurality of couplers, a part of the laser radiation source Q in the optical fiber 1 is provided
  • an individual delay V i, V 2, ..., v N so that the optical path length from the coupler K up to the respective area T 1, T 2, ..., T N of the sample is the same for all individual measuring beams M 1 , M 2 , .... M N.
  • Corresponding optics O 1 , O 2 O N in the individual measuring beam paths illuminate the partial areas T 1 , T 2 T N to be detected , receive backscattered light and redirect it to the fibers F and the coupler K.
  • the delays v are designated independently of the optics A.
  • the order, eg order of delay v and optics O is independent, among other things, the delays can also occur in the optics O.
  • different strong delaying and / or different lengths of fibers F can cause the delays v.
  • the construction of the measuring beam path M is selected for each individual measuring beam M 1 , M 2 M N SO such that the individual measuring beams returning to the coupler K are capable of interfering with the radiation from the reference beam path R, ie in particular has a sufficiently similar polarization state. Any polarization controllers are not shown in FIG.
  • the delay lines are now on the one hand, as already explained with reference to FIGS. 1 and 2, chosen so that the optical path length for each individual measuring beam from the coupler K is equal to the region of the sample to be detected. At the same time, however, they are also chosen (this also applies, of course, to FIGS. 1 and 2) in that the optical path length of individual measuring beams is matched to that of the reference beam in the reference beam path R, because only then an interference of superimposed individual measuring beams and reference beam is possible.
  • This superimposition is carried out by the coupler K, and feeds the individual measuring beams M 1 , M 2 ,..., M N superimposed and brought into interference with a portion of the reference beam into the respective outputs A 1 , A 2 A N , where they are recorded by corresponding detectors D, which are read out by an evaluation unit 10. Since the coupler K, of course, in turn superimposed on the outputs A 1 , A 2 ... A N , a mixture of the individual measuring beams, each superimposed in different relative phase with the reference radiation, the mixture here again of equal proportions (and a if appropriate, differential readout for balanced detection) up to far disproportionate proportions of one or more individual measuring beams. As far as certain divisions, proportions or mixture compositions are described below, these are not to be understood as limiting, but purely by way of example.
  • the schematic representation of the interferometer I in Fig. 3 illustrates that the taken in Figs. 1 and 2 representation with two individual measuring beams is not limiting. Rather, the number of individual measuring beams can be chosen arbitrarily and the upper limit for N need not be 2.
  • one of the delays can be replaced by a correspondingly set distance to the sample P or the length (eg to the mirror S) in the reference beam path.
  • a further reduction in the number of delay lines can be achieved by limiting the Distances of the areas T can be achieved in conjunction with an enlarged scanning depth of the laser beam source Q.
  • the coupler K is designed so that for all outputs to fibers F a coupling between the original beam, i. the fiber 1 and the respective fiber F is less than 50%.
  • the interferometer I for the types described here in that the beam splitting device performs an asymmetrical coupling of original beam into reference / measuring beam path and measuring beam path in detector feed lines.
  • the degree of coupling with which the source beam is split into the individual Meßstrahlen réelle be reduced below 50% in return to achieve a coupling between the individual Meßstrahlen réellen and the outputs for the associated detectors of over 50%.
  • Fig. 4 shows an example in which solid lines indicate a total degree of coupling of 80% and dot-dashed lines a total degree of coupling of 20%.
  • the total degree of coupling is the sum of the degrees of coupling for all at this output, corresponding marked outgoing beams.
  • the radiation from the optical fiber 1, leading the original beam is thus coupled to 80% of the optical fiber 2 and to a total degree of coupling to 20% to the optical fibers F.
  • Each individual optical fiber F contains an equal fraction of this 20% share.
  • the respective coupling between F and A i.
  • the passage of the individual measuring beam when superimposed with the reference beam to the respective detector can amount to a maximum of 1 minus the total degree of coupling with which the original beam is distributed to the fibers.
  • the individual measuring beams are superimposed with each other and given to the outputs A.
  • combined partial area signals can be detected which have different phase relationships between the partial area portions.
  • the evaluation device 10 can determine quadrature components, e.g. To reduce mirror artifacts that can occur with Fourier Domain OCT. This applies equally to the construction according to FIG. 4.
  • Fig. 6 shows a construction in which, on the one hand, the coupler K is realized by two single couplers K 1 and K 2 .
  • a balanced detection as already described in US 2006/0109477 A1 cited for this aspect for a different type of interferometer.
  • the principle of this balanced detection is, inter alia, that paired signal have a phase shift (eg, about 180 °), thus eliminating differential analysis by means of the differential amplifier 13 and 14 any Gleichlichtanteile, eg fluctuations in the intensity of the laser radiation source Q or interference radiation eliminated.
  • Fig. 6 shows the example of two measuring beams, of course, a variant with three or more measuring beams is possible. With respect to the coupling factors, Fig.
  • Fig. 7 shows a development in which a scanner 12 is provided in the measuring beam path, which deflects laterally, for example, a single measuring beam to detect a three-dimensional area T.
  • the combination with another (for example undeflected) single measuring beam thus allows to detect a reference point to which the coordinate system of the three-dimensional deflection of the other sample area can be referred.
  • Possible axial movements of the sample P for example of an eye, can thus be compensated and do not lead to a falsification of the three-dimensional scanning.
  • the reference point can also be detected three-dimensionally, not only with regard to its axial position, but also through a further independent scanner in the individual measuring beam path of this individual measuring beam, so that three-dimensional movements of the sample in the measuring signals can be compensated for another sampled sample area.
  • the construction of Fig. 6 is substantially realized, although the individual measuring beam M 2 and possibly also the single measuring beam M 1 is deflected in each case with an independent scanner 12 (or 15).
  • the evaluation unit 10 receives the signals from the corresponding scanner and, taking into account these signals, composes the signals output by the differential amplifiers 13 and 14 into a correspondingly corrected image with respect to movements of the sample.
  • this application of the scanner can be used in any of the described Interferometer I.
  • This is illustrated schematically in Fig. 8, which shows the use of a scanner in a dual-beam approach.
  • the scanning device is therefore effective for at least one of the individual measuring beams.
  • This also allows imaging with respect to the eye lens when used on the eye, including determination of its shape (skew of the lens, i.e., angles between the optical axis and visual axis, curvature of the posterior lens surface, curvature of the anterior lens surface). Imaging in the area of the retina is also possible, especially in the area of the fovea.
  • Particularly advantageous in measurements on the eye is the use of a static, on the largest corneal reflex-aligned single-measuring beam, while a second single measuring beam is deflected laterally to allow recording the spatial distribution of retinal structures, for example, for imaging (dual-beam OCT ) or to determine the eye length with respect to certain reference points on the retina.
  • a simple determination of the frequency distribution of eye lengths during lateral scanning supplies information suitable for characterizing an eye.
  • the structure of the monolithic beam separator 8 will be described with reference to FIG. 9a.
  • This serves to divide a delivered from an optical fiber 4 beam into two individual beams, which are axially offset from each other with respect to a possible eventual interference and possibly. In different, spaced by a distance foci are focused.
  • the beam separator 8 brings the measuring beam paths together again.
  • the beam separator 8 receives a beam 18, which emerges at the end of the optical fiber 4, and collimates it by means of a first lens side L 1 , which has a glass body 17 of the beam separator 8.
  • the thus collimated radiation then passes through the glass body 17, which has a pupil division on the output side.
  • a bore 18 extending along the optical axis is introduced into the opposite lens side L 2 .
  • the radiation emerging at the bore bottom 19 passes through a glass path which is smaller by the depth t of the bore 18 than the radiation which exits at the lens side L 2 .
  • This causes the delay of the individual beams against each other. The delay thus corresponds to the optical light path of the depth t of the bore 18 in the glass body 17 (of course, any lens-suitable material can be used).
  • the individual measuring beams exit in different focus cones 20, 21.
  • This different focusing is caused by different diffraction properties of the lens surface L 2 and the bore bottom 19.
  • the different diffraction characteristics of the pupil division achieved thereby results in the foci 22, 23 being spaced apart by the distance a. Focus distance and delays can be adjusted independently of each other by lens surface area and hole depth.
  • the focusing is of course only to be understood as an example.
  • the single jet emerging in this pupil part may also be parallel, or the same as the propagation direction effected by the lens surface L 1 .
  • Fig. 9b shows that a change of the beam separator 8 is possible.
  • various beam separators 8.1 and 8.2 and 8.3 are mounted on a change wheel W and it is in each case that one beam separator pivoted in the beam path, which is needed.
  • the various beam splitters 8.1, 8.2 and 8.3 differ in terms of the delay caused by the optical path of light of depth t.
  • an imaging acting beam separator 8 and a non-imaging beam separator can be used when the first and second sides of the glass body 17 are not formed as lens sides but plan.
  • FIGS. 10 to 12 show diagrams for the fiber coupler K.
  • a 3x3 coupler is shown having terminals I - VI and causes a corresponding coupling of I, III and IV on the one hand with II, IV and VI on the other.
  • Fig. 11 shows a modification of the fiber coupler K of Fig. 10, in which now not 3 fibers was partially fused, but twice 2 fibers.
  • a 3 ⁇ 3 coupler can be replaced by this.
  • a coupler K as shown in FIG. 12, which has a 40% crosstalk between VI ⁇ V and IV ⁇ III, is advantageous.
  • the physical embodiment shows in perspective the Fig. 12. The course of the coupling path V ⁇ IV is thus kinked over a plane which is spanned by the routes Il ⁇ IV and I ⁇ Il.
  • Fig. 13 shows a construction similar to that of Fig. 1, wherein here now a so-called exact balanced detection can be made, the mixture is thus composed symmetrically or proportionally.
  • FIG. 13 On the one hand illustrated by a dashed line box that the optical fiber 4 quite generally a differently designed application module 25 may be arranged downstream, which divides the single Meßstrahlen réelle from the Meßstrahlengang, which begins with the optical fiber 4.
  • a third coupler K 3 is used, which takes over the separation and merging of the individual Meßstrahlen réelle.
  • the construction shown in the lower box of the application module 25 of FIG. 13 uses the beam splitter of FIG. 9a, but in the variant already described without optical surfaces on the component 8.
  • the couplers K 1 and K 2 together realize a coupler K, which in principle that of FIG. 1 corresponds.
  • the coupler K 2 is designed as a 50/50 coupler or splitter, whereby it is achieved that the mixtures in the optical fibers 5 and 3 are composed symmetrically, ie in equal proportions the radiation from the measuring beam paths M 1 and M 2 respectively with relative phase shift of 180 ° with respect to the superposition with the reference beam path included. Further, by constructing the coupler K from a 2x2 coupler doublet, it is possible to access a link optical fiber 26 between the couplers K 1 and K 2 . This makes it possible to realize a kind of circulator. If the original radiation from the radiation source Q is linearly polarized and if an MA unit is arranged in the optical fiber 26, circularly polarized radiation passes into the measuring beam path M.
  • the source Q returned radiation is polarized as a result perpendicular to the original radiation. This has proved positive for undisturbed and stable operation of the source Q.
  • the optional use of a Faraday rotator in the light path 26 is advantageous because an orthogonal polarization state with respect. Of the light coming from the light source in the light path 26 is achieved.
  • Fig. 14 shows a modification of the construction of Fig. 13.
  • the reference radiation is now through an optical fiber loop, i. reaches a connection of the optical fibers 2 and 6.
  • This can be called a transmissive reference.
  • the transmissive reference arm may include fixed or variable attenuation elements for purposes of signal adjustment on the detectors or may be designed such that such attenuation is realized. Otherwise applies to the construction of Fig. 14 for the Fig. 13 said analog.
  • Fig. 15 corresponds substantially to that of Fig. 14, but the couplers K 2 and K 1 are inverted in their order with respect to the connecting optical fiber 26.
  • the original radiation in turn passes first to the coupler K 2 , but from there directly into the Meßstrahlengang and of course in the here again transmissively formed reference beam path.
  • Fig. 16 finally shows a construction similar to Fig. 15, but the coupler K 2 is here constructed to a 3x3 coupler, so that it takes over connections IV.1 and IV.2 equal to the separation into the two single Meßstrahlenlandais.
  • the individual measuring beam paths are adapted with respect to their optical paths to the distance of the sample areas to be detected.
  • a suitable medium is introduced individually into the Meßstrahlen réelle, which influences the dispersion with the same optical delay, the effects of meßstrahlenindividuell irradiated sample areas are compensated.
  • the above-described embodiments can basically be designed for SS, SD or TD-OCDR. In the latter case, an adjustment of the effective reference arm length is provided. In the illustrations of FIGS.
  • a device for adjusting the propagation time of the radiation in the reference beam path is additionally present in the reference beam path denoted by R, for example the RSOD according to US Pat. No. 6,654,127, cited above a path length adjustment.
  • R the reference beam path denoted by R
  • An analogous element is provided in Figure 4 and 16 at the terminal of the optical fiber 2.
  • VOA variable optical attenuator
  • VOA variable optical attenuator

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Abstract

Es ist eine Kurzkohärenz-Interferometeranordnung zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche (T1, T2) einer Probe (P), insbesondere des Auges (A), beschrieben, welche mind. einen Meßstrahlengang, durch den mehrere Einzel-Meßstrahlen auf die Probe (P) fallen, und einen Referenzstrahlengang (R) aufweist, durch den ein Referenzstrahl läuft, mit dem die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) überlagert und zur Interferenz gebracht werden, wobei die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) beim Einfall auf die Probe (P) zueinander um ein Maß axial versetzt sind, das auf die axiale Beabstandung (d) abgestimmt ist, und die Interferometeranordnung (I) jeden Einzel-Meßstrahl (M1, M2) jeweils mit dem Referenzstrahl interferierend überlagert und auf einen dem jeweiligen Einzel-Meßstrahl zugeordneten Detektor (D1, D2,.., DN) leitet, wobei die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2,.., MN) in der Überlagerung mit dem Referenzstrahl in einem Gemisch zusammengefaßt sind, in dem sie unterschiedliche Phasenlagen haben.

Description

Kurzkohärenz-Interferometer
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurzkohärenz-Interferometeranordnung zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere des Auges, welche mind. einen Meßstrahlengang, durch den mehrere Einzel-Meßstrahlen auf die Probe fallen, und einen Referenzstrahlengang aufweist, durch den Referenzstrahlung läuft, mit der die Einzel- Meßstrahlen überlagert und zur Interferenz gebracht werden, wobei die Einzel-Meßstrahlen beim Einfall auf die Probe zueinander um ein Maß axial versetzt sind, das auf die axiale Beabstandung abgestimmt ist, und die Interferometeranordnung eine Überlagerungseinrichtung aufweist, die jeden von der Probe zurückkehrende Einzel-Meßstrahl mit der Referenzstrahlung interferierend überlagert.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Kurzkohärenz-Interferometeranordnung zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere des Auges, welche mind. einen Meßstrahlengang, durch den mehrere Einzel-Meßstrahlen auf die Probe fallen, wobei die Einzel-Meßstrahlen beim Einfall auf die Probe zueinander um ein Maß axial versetzt sind, das auf die axiale Beabstandung abgestimmt ist, und die Interferometeranordnung mindestens zwei der Einzel-Meßstrahlen miteinander interferierend überlagert.
Solche Kurzkohärenz-Interferometeranordnungen sind zur optischen Abbildung mittels optischer Kohärenztomographie beispielsweise aus der WO 2007/065670 A1 bekannt. In der erstgenannten Variante verwenden sie dabei eine Interferenz mehrerer Meßstrahlen mit jeweils einem separaten Referenzstrahl, die zweitgenannte Variante überlagert mehrere Einzel- Meßstrahlen paarweise, was auch als sogenanntes „dual beam"-lnterferometer bezeichnet wird.
Die optische Kohärenz-Domain-Reflektometrie (OCDR) dient dazu, Ort und Größe von
Streuzentren innerhalb einer Probe, wie beispielsweise miniaturisierten optischen Komponenten oder biologischem Gewebe, z.B. dem menschlichen Auge, zu erfassen. Für einen Überblick über entsprechende Literatur zur optischen Kohärenztomographie und insbesondere zur optischen Kohärenz-Domain-Reflektometrie sei auf die US 2006/0109477 A1 verwiesen. Diese Patentanmeldung, die zum Teil vom Erfinder der hier relevanten Erfindung stammt, schildert auch das Grundprinzip der optischen Kohärenztomographie. Für die OCDR sind die Varianten Zeit-Domain OCDR (time-domain oder TD-OCDR) mit schnell scannendem Referenzarmen und Fourier-Domain OCDR (FD-OCDR) mit festem Referenzarm und Auswertung spektraler Interferenzen bekannt. Letztere unterscheidet sich nochmals in eine Variante unter Verwendung breitbandiger Lichtquellen und spektrometerbasierter Detektion (spectral domain oder SD- OCDR) und in eine Variante unter Verwendung spektral durchstimmbarer Lichtquellen und breitbandiger Detektoren (swept-source oder SS-OCDR).
Problematisch an der optischen Kohärenztomographie, insbesondere in Form der FD-OCDR, ist die feste Verknüpfung von Meßbereich und Meßauflösung. Der Stand der Technik kennt viele Druckschriften, die sich mit der Vermessung von Objekten in Bereichen umfaßt, die geometrisch gegenüber der gewünschten Auflösung um mehrere Größenordnung größer sind. Ein Beispiel für eine solche Meßaufgabe ist die Vermessung von Bereichen am menschlichen Auge, z.B. die Erfassung von Strukturen sowohl im Vorderbereich des Auges, beispielsweise an der Hornhaut, als auch an der Retina.
Ein Ansatz zur Augenvermessung sowohl im Augenvorderbereich als auch am Augenhintergrund ist aus der WO 2007/065670 A1 bekannt, die auf geschickte Weise mehrere
Interferometeranordnungen kombiniert, die jeweils aus einem eigenen Referenzarm sowie einem zugeordneten Meßarm aufgebaut sind. Durch unterschiedliche Abstimmung dieser mehreren in einer Vorrichtung zusammengefaßten, eigenständigen Interferometeranordnungen kann gleichzeitig an verschiedene Stellen im Auge gemessen werden. Die Schrift schildert verschiedene Ansätze, um die Strahlungen in den zusammengefaßten Interferometern zu unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der Polarisation der Strahlung oder deren
Wellenlänge.
Eine solche Art der Unterscheidung ist auch in der WO 01/38820 A1 beschrieben, die sich allerdings nur mit FD-OCDR befaßt, also bewegte Elemente zur Verstellung der Referenzarmlänge benötigt. Das Prinzip, mehrere Referenzarme unterschiedlicher Länge zu verwenden, findet sich auch in der US 2005/0140981 , oder der US 6198540, die sich jeweils mit OTDR befassen und mehrere, individuell angepaßte Referenzstrahlengänge unterschiedlicher Länge verwenden.
Die bereits einleitend genannte US 2006/0109477 schließlich erlaubt es überhaupt nicht, mehrere unterschiedlich axial beabstandete Bereiche einer Probe zu erfassen, sondern widmet sich einer möglichst großen Empfindlichkeit, wozu 3x3-Phaserkoppler in Kombination mit einer Differenzsignalauswertung, der balanced detection eingesetzt werden.
Vor diesem Stand der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kurzkohärenz-Interferometeranordnung zu schaffen, die mehrere axial beabstandete Bereiche einer Probe erfassen kann, wobei die Bereiche weiter beabstandet sein dürfen, als es die Parameter der OCDR-Variante, wie die spektrale Auflösung beim FD-OCDR, ergebende Meßbereich erlauben, und wobei weiter eine besonders hohe Empfindlichkeit gegeben ist, also auch nur schwach rückstreuende Stellen in der Probe erfaßt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kurzkohärenz-Interferometeranordnung der eingangs genannten Art, bei der die Überlagerungseinrichtung mehrere Ausgänge aufweist, denen jeweils ein Detektor nachgeordnet ist, wobei die Überlagerungseinheit dieselbe Referenzstrahlung für die Überlagerung aufnimmt, an jeden Ausgang ein Gemisch mehrerer mit der Referenzstrahlung überlagerter Einzel-Meßstrahlen abgibt, wobei jedes Gemisch mehrere der Einzel-Meßstrahlen, mit der Referenzstrahlung in unterschiedlicher Phasenlage überlagert, enthält.
Die Erfindung verwendet also nur einen Referenzarm im Interferometer. Dies hat nicht nur eine vorteilhafte bauliche Vereinfachung zur Folge. Man erreicht auch eine hohe
Signalempfindlichkeit in Kombination von balanced detection mit mehreren Meßarmen und einem gemeinsamen Referenzarm, da Wechselwirkungen zwischen mehreren starken
Referenzsignalen ausgeschlossen werden. Solche Wechselwirkungen würden zu starken und weitreichenden Artefakten führen. In der erfindungsgemäßen Ausführung findet höchstens eine Wechselwirkung zweier schwacher Signale statt, nämlich der Signale aus den Meßarmen. Eine
Wechselwirkung zweier starker Referenzsignale ist vermieden.
Weiter kann eine Reduktion von Rauschanteilen erzielt werden, zu denen der Referenzlichtanteil wesentlich oder hauptsächlich beiträgt, wie beispielsweise Schrot- Rauschen. Ist dasSchrotrauschen die größte Rauschquelle (schrotrauschbegrenzter Betrieb) und damit das Meßsignal klein gegen das Referenzsignal, so entspricht das Signal/Rausch- Verhältnis üblicherweise der Zahl der detektierten Meßsignalphotonen, da der Signalanteil dem Produkt der Zahlen der interferierenden Meß- und Referenzlichtphotonen entspricht, während der Rauschanteil proportional zur Zahl der Referenzlichtphotonenzahl ist. Wird nun durch die Verwendung mehrerer Referenzarme die Zahl der Referenzlichtanteile erhöht, so steigt der Rauschanteil entsprechend der Summe der in den Referenzlichtanteilen enthaltenen Referenzphotonen an. Der Signalanteil entspricht aber weiterhin nur dem Produkt von Meßlichtphotonen mit den Photonen eines einzelnen abgestimmten Referenzlichtanteils. Das heißt, daß das Signal-Rausch-Verhältnis für die einzelnen Meßsignale sinkt.
Demgegenüber erlaubt die erfindungsgemäße Lösung, mit mehreren auf nur einen Referenzarm abgestimmten Meßsignalen, bei gleichen Signalgrößen die Begrenzung des Rauschens auf den von nur dem einem Referenzlichtanteil verursachten Beitrag.
Werden also beispielsweise, wie im Stand der Technik üblich, zwei Meßsignale mit zwei gleichen, auf einzeln auf die Messsignale abgestimmten Referenzsignalen vermessen, so ist das schrotrauschbegrenzte Signal-Rauschverhältnis um einen Faktor 2 bzw. 3dB schlechter gegenüber der Verwendung nur eines Referenzsignals, auf den die beiden Meßsignale einzeln abgestimmt sind.
In einer Dual-Beam-Variante wird die Aufgabe weiter gelöst durch eine Kurzkohärenz- Interferometeranordnung zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche einer Probe, insbesondere des Auges, welche mind. einen Meßstrahlengang, durch den mehrere Einzel- Meßstrahlen auf die Probe fallen, wobei die Einzel-Meßstrahlen beim Einfall auf die Probe zueinander um ein Maß axial versetzt sind, das auf die axiale Beabstandung abgestimmt ist, und die Interferometeranordnung mindestens zwei der Einzel-Meßstrahlen miteinander interferierend überlagert, wobei die Interferometeranordnung jedem der zwei Einzel- Meßstrahlen den jeweils anderen interferierend überlagert und dann auf einen zugeordneten eigenen Detektor leitet.
Die Erfindung verwendet also Einzel-Meßstrahlen, die axial individuell so verzögert sind, daß am zugeordneten Detektor nach der Überlagerungseinrichtung ein Interferenzsignal auftritt. Die
Einzel-Meßstrahlen im Gemisch wurden jeweils mit dem Referenzstrahl interferierend überlagert, wobei jedem Einzel-Meßstrahl des Gemisches der Referenzstrahl in individuell unterschiedlicher Phasenlage überlagert ist. Dieses Vorgehen ermöglicht weiter in der
Interferometeranordnung die balanced detection zur Empfindlichkeitssteigerung und/oder Quadraturkomponentenbestimmung. Die Vorzüge der balanced detection zur
Rauschunterdrückung werden zum Beispiel in Podoleanu, Appl. Optics 39, 173 (2000)
„Unbalanced versus balanced Operation in an optical coherence tomography System" ausführlich beschrieben. Weiter können durch die getrennten Einzel-Meßstrahlen axial beabstandete Bereiche der Probe gleichzeitig erfaßt werden, deren Beabstandung weitaus größer ist, als der axiale Meßbereich für einen der Einzel-Meßstrahlen.
Hierbei bietet sich die Möglichkeit die Fokussierungs- und Polarisationszustände, sowie die Dispersionseigenschaften der Einzelmeßstrahlen an die jeweils zugeordneten axialen Meßbereiche der Probe anzupassen, um maximale Signalqualitäten zu erzielen. Die Vorzüge der gezielten Anpassung der Dispersionsverhältnisse in Interferometern für die Fourier-Domain optische Kohärenztomographie (FD-OCDR) zum Zwecke der Spiegelartefaktunterdrückung sind in US20060171503 beschrieben, an der der Erfinder beteiligt war.
Die Meßstrahlung stammt vorzugsweise aus einer Strahlquelle, die zum Ausführen der SS- OCDR ausgebildet, also durchstimmbar ist. Die Erfindung ist aber ganz grundsätzlich auch für die SD-OCDR (also mit spektraler Analyse nicht-durchgestimmter Strahlung) bzw. die TD- OCDR (mit Durchstimmung der Interferenzbedingung im Interferometer, z.B. Verstellung der Länge eines Referenzstrahlenganges) möglich und realisierbar.
Die Aufteilung der Einzel-Meßstrahlen kann aus einem gemeinsamen Meßstrahl erfolgen, also nachdem die Überlagerungseinrichtung aus einem Ursprungsstrahl, der von der Strahlquelle bereitgestellt wird, den Meßstrahlengang und den Referenzstrahlengang getrennt hat. Für diese Variante ist bevorzugt vorgesehen eine Meßstrahlung bereitstellende Strahlquelle, die einen Ursprungsstrahl abgibt, und daß die Überlagerungseinrichtung bestimmte Intensitätsanteile des Ursprungsstrahl in den Meßstrahlengang sowie den Referenzstrahl abteilt.
Die Auftrennung der Einzel-Meßstrahlen im Hinweg zur Probe und die Zusammenführung im Rückweg von der Probe, kann (erst) im Meßstrahlengang erfolgen. Hierzu wird besonders zweckmäßig eine Linseneinrichtung verwendet, die die Meßstrahlung in die Einzel-Meßstrahlen trennt, diese gegeneinander axial versetzt (verzögert) und zugleich mit unterschiedlichen Fokuslängen auf die Probe fokussiert.
Eine besonders kompakte Linseneinrichtung erhält man, wenn diese die Einzel-Meßstrahlen mittels einer Pupillenteilung bereitstellt, wobei jedem Einzel-Meßstrahl ein eigener Pupillenbereich der Linseneinrichtung zugeordnet ist und die optischen Weglängen und ggf. auch die Abbildungseigenschaften der Pupillenbereiche unterschiedlich sind.
Eine solche Linseneinrichtung ist auch unabhängig von der beschriebenen Kurzkohärenz- Interferometeranordnung möglich, so daß als eigenständige Erfindung vorgesehen sein kann, eine Linseneinrichtung, die ein zugeführtes Strahlbündel in Einzel-Strahlbündel trennt, die Einzel-Strahlbündel gegeneinander verzögert und ggf. auch unterschiedlich fokussiert abgibt, wobei die Linseneinrichtung eine geteilte Pupille aufweist, jedem Einzel-Strahlbündel ein eigener Pupillenbereich zugeordnet ist und die optischen Weglängen, Dispersionen und ggf. auch die Abbildungseigenschaften der Linseneinrichtung in den getrennten Pupillenbereichen unterschiedlich sind. Besonders zweckmäßig ist eine (natürlich auch im Rahmen der Kurzkohärenz- Interferometeranordnung mögliche) Weiterbildung, bei der die Linseneinrichtung einen Glaskörper mit zwei Linsenflächen aufweist und an einer Linsenseite eine entlang der optischen Achse in den Glaskörper verlaufende Bohrung ausgebildet ist. Die Tiefe der Bohrung ist dann für die gegenseitige Verzögerung der Einzel-Strahlen verantwortlich, da sich dadurch eine unterschiedliche optische Weglänge durch den Glaskörper für die Einzel-Strahlen ergibt. Die optischen Eigenschaften des Bohrungsgrundes und der Linsenfläche, in der die Bohrung eingebracht ist, können sich ebenfalls unterscheiden. Etwaige Unterschiede wirken sich auf die unterschiedliche Fokussierung der Einzel-Strahlen aus.
Durch die unabhängig wählbaren Parameter, Bohrungstiefe und geometrische Form, des Bohrungsgrundes und der Linsenfläche, in die die Bohrung eingebracht ist, sind somit bei Auslegung der Linseneinrichtung die Verzögerung und die Fokussierung der Einzel-Strahlen unabhängig voneinander einstellbar bzw. gewählt.
Es sei auch die Möglichkeit erwähnt, den Hohlraum im Glaskörper ganz oder teilweise mit einem Material mit im Vergleich zum restlichen Glaskörper verschiedenen optischen Eigenschaften, d.h. insbesondere Brechungsindex und Dispersion, zu füllen, um die gewünschte optischer Verzögerung und/oder Dispersionsverhältnisse zu erzielen.
Eine Alternative zum Erzeugen der Einzel-Meßstrahlen aus einem gemeinsamen Meßstrahl, d.h. nach Abtrennung des Referenzstrahlenganges liegt darin, daß die Überlagerungseinrichtung die Einzel-Meßstrahlen gleich direkt aus dem Ursprungsstrahl abteilt.
Ganz grundsätzlich ist es zu bevorzugen, die Aufteilung der Strahlen an der Überlagerungseinrichtung nach bestimmten Intensitätsverhältnissen vorzunehmen, also nicht, wie im Stand der Technik an vielen Stellen zu finden, beispielsweise eine Polarisationstrennung vorzunehmen; dies aus zwei Gründen: zum einen sind Polarisationsteiler kostenträchtige Bauteile, verteuern also eine Vorrichtung. Zum anderen müßte anschließend wieder aufwendig dafür gesorgt werden, daß die polarisationsgeteilten Einzel-Meßstrahlen bei der Überlagerung wieder denselben Polarisationszustand haben. Dies ist insbesondere problematisch bei Proben, bei denen der Polarisationszustand eines Einzel-Meßstrahls möglicherweise durch doppelbrechende Strukturen in der Probe verändert wird, wie z. B. beim Durchgang durch die Kristallinse im Auge. Schließlich ist eine Polarisationstrennung auch regelmäßig auf maximal zwei abgetrennte Strahlen begrenzt, wohingegen eine Intensitätsaufteilung, wie sie beispielsweise mit Faserkopplern möglich ist, auch mehr als zwei abgetrennte Strahlen erzeugen kann. Es ist deshalb in einer Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, daß der Meßstrahlengang unterschiedlich lange Einzel-Meßstrahlengänge für die Einzel-Meßstrahlen aufweist und die Überlagerungseinrichtung bestimmte Intensitätsanteile des Ursprungsstrahl in die Einzel- Meßstrahlengänge abteilt. Optional kann die Überlagerungseinrichtung auch einen bestimmten Intensitätsanteile des Ursprungsstrahl in dem Referenzstrahlengang abteilten.
Die Auftrennung des Ursprungsstrahls in die Einzel-Meßstrahlen und (soweit nicht in der Dual- Beam-Version gearbeitet wird) den Referenzstrahl, kann nach Intensitätsanteilen besonders einfach mit einem 3x3-Faserkoppler oder zwei kombinierten 2x2-Faserkoppler erfolgen, wie es beispielsweise in der eingangs erwähnten US 2006/0109477 A1 unter Mitwirkung des Erfinders der hier vorliegenden Anmeldung bereits geschildert wurden. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hinsichtlich der Wirkungsweise, des Aufbaus und der Möglichkeiten solcher Faserkoppler hier ausdrücklich eingebunden.
Die Überlagerungseinrichtung gibt an den Ausgängen jeweils ein Gemisch mindestens zweier Einzel-Meßstrahlen ab, die jeweils mit dem Referenzstrahl überlagert sind, wobei zum Referenzstrahl bei der Überlagerung für jeden Einzel-Meßstrahlen ein individueller Phasenunterschied bewirkt ist, der dazu führt, daß die Einzel-Meßstrahlen zum Referenzstrahl eine unterschiedliche relative Phasenlage bei der Überlagerung erfahren. Verwendet man den erwähnten 2x2 Faserkoppler, beträgt der Phasenunterschied beispielsweise 180°, wodurch sich besonders vorteilhaft eine balanced detection, wie sie bereits erwähnt ist, realisieren läßt.
Jeder Detektor erhält also ein Gemisch mehrerer Einzel-Meßstrahlen, jeweils mit dem Referenzstrahl mit unterschiedlicher relativer Phasenlage überlagert. Im Gemisch können die Einzel-Meßstrahlen im wesentlichen gleiche Anteile haben, aber auch eine asymmetrische Zusammensetzung im Gemisch ist möglich, in dem einer der Einzel-Meßstrahlen im Gemisch einen überproportionalen Anteil hat, insbesondere über 90 %. Diese Anteilerhöhung geht natürlich auf Kosten des anderen Einzel-Meßstrahls bzw. der anderen Einzel-Meßstrahlen.
Die gleichzeitige Erfassung der Meßbereichssignale ermöglicht eine Kompensation von Positionsfehlern in Folge axialer Probenbewegung bei Abstandsmessungen. Die ansonsten negativen Auswirkungen axialer Probenbewegungen auf FD-OCT werden zum Beispiel in Yun et al., Opt. Express 12, 2977 (2004) „Motion artifacts in optical coherence tomography with frequency-domain ranging" beschrieben.
Optional kann man ein Blockierelement vorsehen, das einzelne, mehrere, oder alle Einzel- Meßstrahlen bis auf einen abschattet, so daß nur noch ein Einzel-Meßstrahl mit dem Referenzstrahl zur Überlagerung kommt, wenn das Blockierelement aktiviert ist. Eine besonders hohe Nachweisgenauigkeit erreicht man, wenn die Überlagerung der Einzel- Meßstrahlen (entweder mit dem Referenzstrahl oder, im Falle der Dual-Beam-Variante mit mind. einem anderen Einzel-Meßstrahl) einen Verlust von unter 50% mit sich bringt. Bei den Ansätzen des Standes der Technik ist dieses Merkmal nicht realisierbar, da dort z.B. eine Polarisationstrennung oder eine spektrale Trennung immer höherer Verluste verursacht.
Eine besonders hohe Empfindlichkeit erreicht man bei Differenzauslesung jeweils zweier der Detektoren. Diese bereits erwähnte balanced detection ist ebenfalls in der US 2006/0109477 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt auch in dieser Hinsicht hier voll umfänglich eingebunden wird.
Die Signalgüte bei der Interferenz und damit die Empfindlichkeit, mit der auch schwach streuende Objekte in der Probe nachgewiesen werden können, hängt natürlich vom Grad der Interferenz ab, den die zur Interferenz gebrachten Einzel-Meßstrahlen überhaupt haben können. Hierfür ist natürlich der Polarisationszustand bedeutsam, da beispielsweise orthogonal linear polarisierte Strahlen bekannterweise mitunter gar nicht interferieren können. Es ist deshalb bevorzugt, daß im Meßstrahlengang ein für alle Einzel-Meßstrahlen wirksamer Polarisationskontroller vorgesehen ist, der vor der Überlagerung der Einzel-Meßstrahlen die Polarisationszustände der Einzel-Meßstrahlen aneinander angleicht bzw. an den Polarisationszustand des Referenzstrahls angleicht (sofern nicht mit Dual-Beam-Version gearbeitet wird). Auch können Faraday-Rotatoren in den Einzel-Meßstrahlen und im Referenzarm, um eine automatische Anpassung der Polarisationszustände bei der Überlagerung zu realisieren, verwendet werden. Faraday-Rotatoren im Proben und Referenzarm eines OCT-Interferometers sind in US7126693 beschrieben.
Bei Pupillenteilung eines Meßstrahls in Einzelmeßstrahlen und ausreichend einheitlichem Einfluß der Probe auf die Polarisationszustände der Einzel-Meßstrahlen wird bevorzugt ein einziger Polarisationskontroller zur Angleichung an der Polarisationszustand der Referenzstrahlung bei der Überlagerung mit den Einzel-Meßstrahlen genutzt.
Für eine Ausführungsform, bei der die Einzel-Meßstrahlen unmittelbar aus dem Urspmngsstrahl abgeteilt werden, ist es zweckmäßig, in jedem derart erzeugten Einzel-Meßstrahlengang einen Polarisationskontroller vorzusehen, so daß die derart vorhandenen Polarisationskontroller vor dem Überlagern der Einzel-Meßstrahlen die Polarisationszustände der Einzel-Meßstrahlen aneinander angleichen. Anders als bei einem zentralen Polarisationskontroller in einem Teil des Meßstrahlengangs, in dem noch alle Einzel-Meßstrahlen gemeinsam propagieren, kann nun eine individuelle Anpassung der Polarisationszustände für jeden Einzel-Meßstrahl erfolgen. Natürlich wird die Angleichung auch wiederum, sofern nicht mit Dual-Beam gearbeitet wird, am Polarisationszustand des Referenzstrahlengangs ausgerichtet.
Besonders bevorzugt ist die geschilderte Anordnung natürlich zu OCDR mittels durchstimmbarer Strahlungsquelle (SS-OCDR) ausgebildet, weshalb eine entsprechende Ausgestaltung bevorzugt ist.
Die Anordnung erlaubt es, eine Probe in Bereichen zu erfassen, die axial weiter beabstandet sind, als es der Meßbereich zuläßt, welcher z.B. bei SS-OCDR durch die spektrale Linienbreite der durchstimmbaren Strahlungsquelle, bei TD-OCDR durch den Verstellweg des Referenzarm des Interferometers und bei SD-OCDR durch die spektrale Auflösung der Detektion vorgegeben ist. Es ist deshalb bevorzugt, daß der axiale Versatz der Einzel-Meßstrahlen größer ist, als ein durch die Durchstimmbarkeit der Interferometeranordnung bzw. durch die spektrale Aufspaltung und Detektion gegebener Meßbereich.
Natürlich können die hier geschilderten Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung auch zum lateralen Abtasten einer Probe ausgebildet werden, insbesondere zur Bildgebung. Dazu ist es bevorzugt, daß mindestens eine Scaneinrichtung zum Scannen der Probe durch laterale gegenseitige Verschiebung von Probe und mindestens einem der Einzel-Meßstrahlen vorgesehen ist.
Die Scaneinrichtung ist also für mindestens einen der Einzel-Meßstrahlen wirksam. Vorzugsweise erfolgt bei der Anwendung am Auge damit zusätzlich auch eine Bildgebung der Augenlinse, einschließlich der Bestimmung ihrer Form und Lage (Schrägstellung der Linse, d.h. Winkel zwischen optischer Achse und Sehachse, Krümmung der posterioren Linsenfläche, Krümmung der anterioren Linsenfläche). Auch ist eine Bildgebung im Bereich der Retina möglich, insbesondere im Bereich der Fovea.
Die Scaneinrichtung für mindestens einen der Einzel-Meßstrahlen ermöglicht vorteilhafterweise auch eine kombinierte Messung, die über einfache Abstandsmessung oder Topographieerfassung hinausgeht. Vermißt man ein bewegtes Objekt, beispielsweise das menschliche Auge, stellt sich immer das Problem, daß Augenbewegungen während des Meßvorganges zu einer Verfälschung führen. Dies ist besonders mißlich beim scannenden Abtasten mittels optischer Kohärenztomographie. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht nun, einen der Einzel-Meßstrahlen zum Erfassen des Abstandes eines Referenzpunktes, beispielsweise des Hornhautscheitels oder des Netzhautgrundes einzusetzen, und aus etwaigen Abstandsänderungen ein Maß für die Bewegung der Probe, z.B. des Auges, zu gewinnen. Die Bewegung des Referenzpunktes kann dann zur Korrektur der durch gleichzeitiges laterales Scannen gewonnenen Meßdaten an einer anderen Stelle der Probe verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Ansatzes wird nicht nur die axiale Lage des Referenzpunktes, sondern auch seine laterale Lage erfaßt. Beispielsweise die laterale Bewegung des Hornhautscheitels. Dann ist eine Korrektur nicht nur hinsichtlich einer axialen Verschiebung der untersuchten Probe, sondern auch hinsichtlich lateraler Verschiebungen möglich. Der Referenzpunkt für die dreidimensionale Bildgebung, die durch Abscannen an anderer Stelle des Objektes vorgenommen wird, kann dann dreidimensional verfolgt und die entsprechenden Meßdaten können dreidimensional hinsichtlich Bewegung des Referenzpunktes korrigiert werden.
Es ist deshalb bevorzugt vorgesehen, daß die Anordnung ein entsprechendes Steuergerät aufweist, das die zuvor beschriebene Referenzierung durch Erfassung der axialen Lage eines Referenzpunktes mittels eines Einzel-Meßstrahles oder durch Erfassung der dreidimensionalen Lage eines Referenzpunktes durch Verwenden eines eigenständig gescannten Einzel- Meßstrahles vornimmt und an der Anordnung steuert.
Es versteht sich, daß, soweit nichts gegenteiliges erwähnt ist, die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale bzw. Eigenheiten von Ausführungsformen nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder ggf. in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Für die Ausführung etwaiger Verfahrensschritte ist in der Vorrichtung ein geeignetes Steuergerät vorgesehen. Auch sei darauf hingewiesen, daß eine nachfolgende Beschreibung anhand der SS-OCDR keine Einschränkung auf dieses OCDR-Prinzip ist. Die Erfindung ist gleichermaßen auch für SD- oder TD-OCDR geeignet. Natürlich ist die Durchstimmung der Quelle, wie sie bei SS-OCDR stattfindet, dann durch eine spektrale Analyse der überlagerten Strahlung bzw. durch eine Verstellung des Referenzstrahlenganges ersetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein SS-OCDR-Interferometer mit balanced detection zur gleichzeitigen
Erfassung zweier unterschiedlicher Bereiche eines Auges, Fig. 2 ein Interferometer ähnlich dem der Fig. 1 , wobei jedoch ein Meßstrahlengang des Interferometers der Fig. 1 für eine höhere Ausnutzung der Beleuchtungsstrahlung abgewandelt ist und eine weitgehende Einzel-Detektion der Meß-Strahlung von den unterschiedlichen Bereichen des Auges erfolgt,
Fig. 3 eine Schemadarstellung eines Interferometers ähnlich dem der Fig. 2,
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich der der Fig. 3 mit der Verdeutlichung der Wirkung einer
Strahlteilereinrichtung,
Fig. 5 eine Interferometerdarstellung ähnlich der der Fig. 4, allerdings in
Ausgestaltung eines Dual-Beam-Interferometers,
Fig. 6 eine Schemadarstellung ähnlich der der Fig. 4, jedoch für eine Interferometeranordnung mit balanced detection,
Fig. 7 eine Interferometeranordnung ähnlich der der Fig. 6 jedoch mit zusätzlichem lateralen Abscannen der Probe,
Fig. 8 eine Interferometeranordnung ähnlich der der Fig. 7, jedoch als Dual-Beam-
Interferometer,
Fig. 9a eine Schemazeichnung einer Strahlteilereinrichtung im Interferometer der
Fig. 1 ,
Fig. 9b ein Wechselrad mit verschiedenen Strahlteilereinrichtungen gemäß Fig. 9a,
Fig. 10 - 12 Schemazeichnungen zu Strahlteilereinrichtungen in den Interferometern der
Fig. 2 - 8,
Fig. 13 - 15 OCDR-Interferometer ähnlich dem der Fig. 1 , wobei die Bauweise in dieser Figuren eine exakte balanced detection ermöglichen, der Phasenunterschied zwischen den Interferenz ausgelesenen Detektoren exakt 180° beträgt, wobei
Fig. 13 eine Bauweise mit vollständiger balanced detection,
Fig. 14 eine Abwandlung der Bauweise der Fig. 13 mit transmissivem
Referenzstrahlengang, Fig. 15 eine Bauweise ähnlich der der Fig. 14, jedoch mit einer andersartig ausgebildeten Überlagerungseinrichtung und
Fig. 16 eine Bauweise ähnlich der der Fig. 15 darstellt, jedoch mit zwei eigenständigen
Meßstrahlengängen.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Interferometer für SS-OCDR. Strahlung aus einer Strahlquelle Q, die durchstimmbar ist und beispielsweise eine Linienbreite von unter 30 pm, vorzugsweise von
< 26 pm bzw. in einer anderen Ausführungsform bevorzugt < 15 pm oder sogar <13 pm aufweist. Solche Strahlquellen sind im Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der bereits erwähnten US 2006/0109477 A1 beschrieben. Diesbezüglich wird deshalb auf diese
Druckschrift verwiesen. Das Interferometer I dient dazu, unterschiedliche Teilbereiche T1 und T2 an einer Probe P zu erfassen, die im Ausführungsbeispiel ein Auge A ist. Anstelle eines Auges kann natürlich auch eine beliebige, nicht-biologische technische Struktur mit dem
Interferometer I erfaßt werden, da das Interferometer I ganz grundsätzlich die Lage und
Streuintensität von Streuzentren erfaßt, die in den Teilbereichen T1 und T2 liegen. Soweit die hier vorliegende Beschreibung also auf die Anwendung an einem Auge A Bezug nimmt, ist dies rein exemplarisch und darf nicht einschränkend aufgefaßt werden.
Die Teilbereiche T1 und T2 sind in den Figuren 1 und 2 punktförmig eingezeichnet. Dies dient lediglich der besseren Übersichtlichkeit. Durch das Durchstimmen der Strahlungsquelle Q erstrecken sind die Teilbereiche natürlich über einen Bereich, der längs der Einfallsachse der Strahlung verläuft. Allerdings ist die beim SS-OCDR durch die Linienbreite der durchstimmbaren Strahlungsquelle Q begrenzte maximale Meßtiefe nicht so groß, daß sowohl der Teilbereich T1 als auch der Teilbereich T2 in einem Durchstimmvorgang erfaßt werden könnte. Der Abstand d zwischen den Teilbereichen ist hierfür zu weit. Beispielsweise können bei Messungen am Auge mit durchstimmbaren Strahlungsquellen einer Zentralwellenlänge von ca. 1 μm mit einer Linienbreite im Bereich zwischen 10 pm...200 pm Scantiefen von ca. 35..2 mm realisiert werden, was nur Teilen möglicher Augenlängen entspricht, weshalb mehrere axial versetzte Teilbereiche für die Anwendung am Auge vorteilhaft sind.
Die Strahlung der Laserstrahlquelle Q wird über eine Lichtleitfaser 1 zu einem Koppler K geleitet, der als Überlagerungseinrichtung wirkt und nachfolgend noch erläutert wird. Der Koppler K zweigt einen Teil der Strahlung aus der Lichtleitfaser 1 in einen Referenzstrahlengang R ab, der im wesentlichen durch eine Lichtleitfaser 2, an deren Ende eine Spiegeleinrichtung vorgesehen ist (beispielsweise durch Endverspiegelung der Faser), realisiert ist. Ein anderer Teil der Strahlung aus der Lichtleitfaser 1 wird in den Meßstrahlengang M beginnend mit einer Lichtleitfaser 4 eingespeist.
Der Koppler K bewirkt jedoch nicht nur eine Einkopplung der Strahlung der Laserquelle Q, die also den Ursprungsstrahl für das Interferometer I bereitstellt, sondern auch eine Verteilung und
Überlagerung der aus dem Meßstrahlengang M zurückkehrenden Meßstrahlung sowie der aus dem Referenzstrahlengang R zurückkehrenden Referenzstrahlung. Der Koppler K überlagert die Referenzstrahlung aus dem Referenzstrahlengang R mit der Meßstrahlung aus der
Lichtleitfaser 4 und gibt die überlagerten Strahlungen in eine Lichtleitfaser 3 sowie mit gleichem Anteil in eine Lichtleitfaser 5. Die derart zur Interferenz gebrachten Signale werden von
Detektoren D1 und D2 aufgefangen und nachfolgend im Wege einer balanced detection mit einem Differenzverstärker 13 verstärkt.
Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften des Kopplers K empfängt jeder Detektor D1 und D2 ein Gemisch aus den Meßstrahlen überlagert mit der Strahlung aus dem Referenzstrahlengang, wobei jedoch zwischen den Eingängen III und IV des Kopplers die Einzel-Meßstrahlen einen relativen Phasenunterschied bei der Überlagerung mit der Strahlung aus dem Referenzstrahlengang R erfahren haben. In dem Gemisch sind die Einzel-Meßstrahlen zu gleichen Anteilen enthalten.
Der Koppler K ist also wirksam sowohl für die Aufteilung des Ursprungsstrahls als auch für die Überlagerung des Referenzstrahls mit der Meßstrahlung. Die Meßstrahlung ist aus Einzel- Meßstrahlen zusammengesetzt (wie noch erläutert wird). Der Koppler weist Anschlüsse I - VI auf.
Am Anschluß I zugeführte Strahlung leitet der Koppler K beispielsweise zu 80 % zum Anschluß Il und zu 20 % zum Anschluß IV sowie zu 0 % zum Anschluß Vl1 da in die Lichtleitfaser 6 eingekoppelte Strahlung im hier vorliegenden Aufbau nicht weiter verwertet wird.
Am Anschluß IV zurückkehrende Meß-Strahlung leitet der Koppler K zu 20 % zum Anschluß I, also zur Quelle zurück, und zu jeweils 40 % zum Anschluß III und zum Anschluß V. Die Strahlungsintensität im Meßstrahlengang wird also zu 80 % für Interferenz ausgenutzt.
Die Strahlung, die am Anschluß Il zugeführt wird, wird zu 10 % zum Anschluß III, zu 10 % zum Anschluß V und zu 80 % zum Anschluß I geleitet.
Das Interferometer I der Fig. 1 verwertet also die Strahlung aus dem Meßstrahlengang zu einem hohen Prozentteil, nutzt allerdings die Intensität, den die Laserstrahlquelle Q in die Lichtleitfaser 1 speist, nur zu 20 %. Dies ist relativ unproblematisch, da es sehr viel einfacher ist, eine leistungsstarke Laserstrahlquelle Q zu verwenden, als einen starken Meßsignalverlust auszugleichen. Da durch den Aufbau des Kopplers K ein vergleichsweiser Intensitätsüberschuß der Strahlung im Referenzstrahlengang R vorliegt, kann diese Strahlung noch anderweitig verwendet werden, beispielsweise zur spektralen Kalibrierung der Laserstrahlquelle Q oder zur Triggerung der Signalaufnahme.
Der Meßstrahlengang M beginnt mit der Lichtleitfaser 4. Er weist dann einen Polarisationskontroller 7 auf, der dafür sorgt, daß aus dem Meßstrahlengang M zurückkehrende Strahlung hinsichtlich ihrer Polarisationseigenschaften an die Referenzstrahlung angepaßt ist, damit maximale Interferenzfähigkeit gegeben ist.
Die zur Probe P geleitete Strahlung im Meßstrahlengang M wird aus der Lichtleitfaser 4 mittels eines monolithischen Strahltrenners 8 aufgeteilt, der die schon erwähnten Einzel-Meßstrahlen M1 und M2 bereitstellt, welche gegeneinander verzögert sind. Die Verzögerung erreicht der monolithische Strahltrenner 8, der später noch erläutert werden wird, durch unterschiedliche Glaswege für die Einzel-Meßstrahlen M1 bzw. M2. Die Verzögerung ist auf den Abstand d abgestimmt, um den die Bereiche T1 und T2 (vom Koppler zur Probe und zurück) am Auge A beabstandet sind. Die derart einheitliche Gesamtlänge des Meßstrahlenganges M ist auf die Länge des Referenzstrahlengangs R abgestimmt.
Weiter bewirkt der monolithische Strahltrenner auch noch eine unterschiedliche Fokussierung, d.h. er sorgt dafür, daß der Einzel-Meßstrahl M2 in den Bereich T2 und Einzel-Meßstrahl M1 im Endeffekt in den Bereich T1 fokussiert wird. Dies erreicht der monolithische Strahltrenner 8, wie später noch erläutert werden wird, dadurch, daß für die Einzel-Meßstrahlen M1 bzw. M2 unterschiedliche Brechungsflächen ausgangsseitig des monolithischen Strahltrenners 8 wirksam sind.
Um einen der Einzel-Meßstrahlen, beispielsweise den Einzel-Meßstrahl M1 oder den M2, abschalten zu können, ist optional als Blockierelement z. B. eine bewegliche Blende 24 vorgesehen, die den jeweiligen Einzel-Meßstrahl abschattet. Um den Einzel-Meßstrahl M1 auszublenden, ist die Blende 24 also so ausgebildet, daß sie den Pupillenbereich, in dem der monolithische Strahltrenner 8 den Einzel-Meßstrahl M1 bereitstellt, abblendet. Für den Einzel- Meßstrahl M2 hingegen ist eine andersartige oder zusätzliche Blende 24 vorgesehen, die in Form einer Ring-Blende ausgebildet ist und lediglich den Einzel-Meßstrahl M1 passieren läßt. Bauteile, die strukturell oder funktionell bereits geschilderten Bauteilen entsprechen, sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen und werden deshalb ggf. nicht noch einmal erläutert.
Bislang wurde auch Ausführungsbeispiele für SS-OCDR mit durchstimmbaren Lichtquellen beschrieben. Werden als Strahlungsquelle Q aber eine breitbandige Lichtquelle, wie beispielsweise eine Superlumineszenz Diode (SLD) eingesetzt und die Detektoren D als Spektrometer ausgeführt, so ist damit eine SD-OCDR Variante der Kurzkohärenz- Interferometeranordnung beschrieben, welche gleichermaßen die geschilderten Vorteile aufweist. Interferometeranordnungen mit mehreren Spektrometern zur Quadraturkomponentenbestimmung ist aus US 2004/0239943 bekannt. Werden die breitbandige Quelle Q beibehalten und der Referenzarm R derart ausgeführt, daß seine optische Länge schnell variiert werden kann, so ist eine TD-OCDR Variante der Interferometeranordnung realisiert. Eine geeignete Anordnung zum schnellen Variieren der optische Länge von Referenzarmen (rapid scanning optical delay line, RSOD) ist beispielsweise in US 6654127 beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Bauweise des Interferometers der Fig. 1. Hier erfolgt eine höhere Ausnutzung der Strahlung der Laserstrahlquelle Q, so daß sich die Bauweise der Fig. 2 insbesondere anbietet, wenn sicherheitsmotivierte Begrenzungen der Leistung der Laserstrahlquelle Q oder Randbedingung, Linienbreite, Durchstimmbereich und Durchstimmrate es anzeigen, man also z.B. mit Lasern einer besonders niedrigen Leistung arbeiten möchte.
Elemente des Interferometers I der Fig. 2, die in Struktur und/oder Funktion denen des Interferometers I der Fig. 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Dies gilt für alle Figuren. Das Interferometer I gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Bauweise im wesentlichen in zwei Aspekten.
Zum einen ist der Meßstrahlengang M anders ausgebildet. Zum anderen erfolgt in der in Fig. 2 dargestellten Bauweise keine Differenzauslesung der Detektoren D1 und D2 und deshalb keine balanced detection.
Die Unterschiede im Meßstrahlengang M beruhen darin, daß der Koppler K den Ursprungsstrahl der Laserstrahlquelle Q aus der Lichtleitfaser 1 sowohl in die Lichtleitfaser 4 (also den Anschluß IV des Kopplers K) als auch in die Lichtleitfaser VI (also den Anschluß VI des Kopplers K). Die Erzeugung der Einzel-Meßstrahlen findet also nicht aus einem vorherigen gemeinsamen Meßstrahl statt, sondern geschieht unmittelbar an der Strahlaufteileinrichtung, in diesem Fall dem Koppler K. Die Einzel-Meßstrahlen M1, M2 propagieren dann über einen Polarisationskontroller 7.1 bzw. 7.2, der, wie bereits für Fig. 1 erläutert, im Endeffekt dafür sorgt, daß die Einzel-Meßstrahlen nach Rückkunft von der Probe A zueinander und vor allem zum Referenzstrahl R die gleiche Polarisationsrichtung haben. Linsen 9.1 bzw. 9.2 sorgen dafür, daß die Einzel-Meßstrahlen auf die jeweiligen Bereiche T1 und T2 der Probe fokussiert werden.
Die Weglängen, welche die Einzel-Meßstrahlen dabei durchlaufen, sind aneinander angeglichen, d.h. die optische Weglänge vom Anschluß IV des Kopplers K bis zum Bereich T1 gleicht der optischen Weglänge vom Anschluß VI bis zum Bereich T2 (und beide auch der opt. Weglänge des Referenzstrahlenganges R). In Fig. 2 ist dies schematisch durch unterschiedliche Schlaufen in den Lichtleitfasern 4, 6 angedeutet.
Die Kopplungskoeffizienten des Kopplers K sind nun in einer bevorzugten Ausführungsform für das Interferometer I der Fig. 2 wie folgt: die Verteilung des Ursprungsstrahls, zugeführt am Anschluß I erfolgt zu 60 % auf den Anschluß Il und zu jeweils 20 % auf die Anschlüsse IV und VI. Die Intensität des Ursprungsstrahls, d.h. die Leistung der Laserstrahlungsquelle Q, wird somit zu 40 % und damit doppelt so gut ausgenutzt, wie im Interferometer I der Fig. 1.
Der am Anschluß IV zurückkehrende Einzel-Meßstrahl M1 wird zu 80 % zum Anschluß III und zu 20 % zum Anschluß I geleitet. Zum Anschluß V erfolgt eine Rückkopplung zu 0 %. Analoges gilt für den Einzel-Meßstrahl M2 am Anschluß Vl1 der zu 80 % zum Anschluß V und damit in die Lichtleitfaser 5 geleitet wird und zu 20 % zurück zur Quelle, also zum Anschluß I und der Lichtleitfaser 1. Falls 0 % zwischen den Anschlüssen IV und V nur mit unvorteilhaftem Aufwand realisiert werden können, kann auch ein Kopplungsgrad kleiner oder gleich 5 % (insb. 4 %) verwendet werden. Der Kopplungsgrad zwischen den Anschlüssen VI und V sinkt dann entsprechend von 80 % ab.
Die Intensität der Einzel-Meßstrahlen M1 und M2 wird also zu 80 % zu den jeweiligen zugeordneten Detektoren D1 und D2 geleitet.
Der Anschluß Il wird zu 60 % mit Anschluß I, jeweils zu 20 % mit den Anschlüssen V und VI und jeweils zu 20 % mit den Anschlüssen III und IV gekoppelt.
Die Einzel-Detektion mit Hilfe der Detektoren D1 und D2 ermöglicht, die jeweilige Streuintensität im Bereich T1 bzw. T2 ohne störende Einflüsse aus dem jeweiligen anderen Bereich zu erfassen. Die Energieaufteilung über den Koppler K ist besonders vorteilhaft, wenn man von einer Laserstrahlungsobergrenze an der Probe von 2 mW bei der Wellenlänge von 1 ,05 μm ausgeht und die Quelle 5 mW liefert. Dann ist die geschilderte symmetrische Verteilung der Strahlung auf die Anschlüsse III und V, an denen die Detektoren D1 und D2 über die Lichtleitfasern 3 und 5 angeschlossen sind, optimal. Die bereits zu Fig. 1 erwähnte Eigenschaft des Kopplers, die optische Strahlung an den Eingängen IV und VI der Strahlung aus dem Referenzstrahlengang am Eingang Il mit unterschiedlicher relativer Phasenlage zu überlagern und als Gemisch jeweils an die Eingänge V und III weiterzuleiten, weist selbstverständlich auch der Koppler K der Fig. 2 auf. Es ist also auch hier so, daß am Ausgang V gemischt ist: das Signal am Anschluß VI überlagert mit dem Signal am Anschluß Il und das Signal am Anschluß IV überlagert mit dem Signal am Anschluß II. In der Mischung sind die Signale an beiden Anschlüssen VI und IV mit der Referenzstrahlung aus dem Anschluß Il in unterschiedlicher relativer Phasenlage überlagert.
Anders als der Koppler K der Fig. 1 bewirkt der Koppler der Fig. 2 jedoch eine asymmetrische Mischung, in der das Signal aus einem der Anschlüsse VI bzw. IV überproportionalen Anteil im Gemisch hat, insbesondere über 90 % bzw. 95 %. Dies führt in der Bauweise der Fig. 2 dazu, daß in der Lichtleitfaser 5 das Signal aus der Lichtleitfaser 6 überlagert mit der Referenzstrahlung zu 90 % oder 95 %, das in anderer relativer Phaselage überlagerte Signal aus der Lichtleitfaser 4 mit der Referenzstrahlung nur zu 10 % oder 5 % enthalten ist. Analoges gilt für die Lichtleitfaser 3, die weit überwiegend das überlagerte Signal aus den Lichtleitfasern 4 und 2 führt. Die Fig. 2 zeigt also ein Beispiel für ein ungleichmäßig zusammengesetztes Gemisch an den Ausgängen V und III des Kopplers K.
Fig. 3 zeigt die Interferometerstruktur der Fig. 1 bzw. 2 in einer Schemadarstellung. Dabei bezeichnet im schematisch dargestellten Interferometer I das Bezugszeichen v eine Verzögeruπgsstrecke, das Bezugszeichen O eine Optik, das Bezugszeichen F eine Faser sowie das Bezugszeichen A einen Ausgang. Die jeweiligen Indizes ordnen diese Größen, wie bereits anhand der Fig. 1 und 2 für die Detektoren D und die Einzel-Meßstrahlen M vorgenommen, diese Größen den jeweiligen Einzel-Meßstrahlen zu. Analoges gilt hinsichtlich der Bereiche T1, T2 TN, die an der Probe P erfaßt werden.
Mittels des Faserkopplers K, der auch durch eine Kombination mehrerer Koppler realisiert sein kann, wird ein Teil des von der Laserstrahlungsquelle Q in der Lichtleitfaser 1 bereitgestellten
Ursprungsstrahls für die Einzel-Meßstrahlen M1, M2 MN in optische Faser F1, F2, ..., FN abgeteilt. In jedem dadurch erreichten Einzel-Meßstrahlungsgang erfolgt über optische Mittel eine individuelle Verzögerung V i, V 2, ..., v N, so daß die optische Weglänge vom Koppler K bis zum jeweiligen Bereich T1, T2, ..., TN der Probe für alle Einzel-Meßstrahlen M1, M2, .... MN gleich ist. Entsprechende Optiken O1, O2 ON in den Einzel-Meßstrahlengängen beleuchten die zu erfassenden Teilbereiche T1, T2 TN, nehmen rückgestreutes Licht auf und leiten es wieder zu den Fasern F und dem Koppler K. In der Schemadarstellung der Fig. 3 sind die Verzögerungen v unabhängig von den Optiken A bezeichnet. Die Ordnung, z.B. Reihenfolge von Verzögerung v und Optik O, ist unabhängig, unter anderem können die Verzögerungen auch in den Optiken O erfolgen. Natürlich können auch unterschiedliche stark verzögernde und/oder unterschiedlich lange Fasern F die Verzögerungen v bewirken.
Der Aufbau des Meßstrahlengangs M ist für jeden Einzel-Meßstrahl M1, M2 MN SO gewählt, daß die am Koppler K zurückkehrenden Einzel-Meßstrahlen interferenzfähig mit der Strahlung aus dem Referenzstrahlengang R ist, also insbesondere hinreichend ähnlichen Polarisationszustand hat. Eventuelle Polarisationskontroller sind in Fig. 3 nicht eingezeichnet.
Die Verzögerungsstrecken sind nun zum einen, wie bereits anhand Fig. 1 und 2 erläutert, so gewählt, daß die optische Weglänge für jeden Einzel-Meßstrahl vom Koppler K bis zum zu erfassenden Bereich der Probe gleich ist. Zugleich sind sie aber auch so gewählt (dies gilt natürlich auch für die Fig. 1 und 2), daß die optische Weglänge Einzel-Meßstrahlen an den des Referenzstrahls im Referenzstrahlengang R angeglichen ist, da nur dann eine Interferenz von überlagerten Einzel-Meßstrahlen und Referenzstrahl möglich ist. Diese Überlagerung nimmt der Koppler K vor, und speist die mit einem Anteil des Referenzstrahls überlagerten und zur Interferenz gebrachten Einzel-Meßstrahlen M1, M2, ..., MN in die jeweiligen Ausgänge A1, A2 AN ein, wo sie von entsprechenden Detektoren D aufgenommen werden, welche von einer Auswerteeinheit 10 ausgelesen sind. Da der Koppler K natürlich wiederum eine Mischung der Einzel-Meßstrahlen, jeweils in unterschiedlicher relativer Phasenlage mit der Referenzstrahlung überlagert, auf die Ausgänge A1, A2 ..., AN leitet, kann das Gemisch hier wiederum von gleichen Anteilen (und einer gegebenenfalls vorgenommenen Differenzauslesung zur balanced detection) bis hin zu weit überproportionalen Anteilen eines oder mehrerer Einzel-Meßstrahlen eingestellt sein. Soweit nachfolgend bestimmte Aufteilungen, Anteile oder Gemischzusammensetzungen beschrieben sind, sind diese hier nicht einschränkend zu verstehen, sondern rein exemplarisch.
Die schematische Darstellung des Interferometers I in Fig. 3 verdeutlicht, daß die in den Fig. 1 und 2 getroffene Darstellung mit zwei Einzel-Meßstrahlen nicht einschränkend ist. Vielmehr kann die Zahl der Einzel-Meßstrahlen beliebig gewählt werden und die Obergrenze für N muß nicht 2 sein.
Natürlich kann auch eine der Verzögerungen durch einen entsprechend eingestellten Abstand zur Probe P oder der Länge (z.B. zum Spiegel S) im Referenzstrahlengang ersetzt werden. Eine weitere Reduktion in der Zahl der Verzögerungsstrecken kann durch Begrenzung der Abstände der Bereiche T in Verbindung mit einer vergrößerten Scantiefe der Laserstrahlquelle Q erreicht werden.
Um die gewünschte hohe Effizienz der Erfassung jedes Einzel-Meßstrahls zu gewährleisten, ist der Koppler K so gestaltet, daß für alle Ausgänge zu Fasern F eine Kopplung zwischen dem Ursprungsstrahl, d.h. der Faser 1 und der jeweiligen Faser F von unter 50 % vorliegt.
Die hohe Effizienz der Auswertung der Einzel-Meßstrahlen erreicht das lnterferometer I also für die hier beschriebenen Bauformen dadurch, daß die Strahlteilereinrichtung eine auf die Intensität bezogen asymmetrische Kopplung von Ursprungsstrahl in Referenz-/Meßstrahlengang und Meßstrahlengang in Detektorzuleitungen vornimmt. Insbesondere kann der Kopplungsgrad, mit dem der Ursprungsstrahl in die Einzel- Meßstrahlengänge aufgeteilt wird, unter 50 % reduziert sein, um im Gegenzug eine Kopplung zwischen den Einzel-Meßstrahlengängen und den Ausgängen für die zugeordneten Detektoren von über 50 % zu erreichen.
Die einzelnen Kopplungskoeffizienten im Koppler K können nun noch weiter unterschiedlich gestaltet werden. Fig. 4 zeigt ein Beispiel, in dem durchgezogenen Linien einen Gesamt- Kopplungsgrad von 80 % und strichpunktierte Linien einen Gesamt-Kopplungsgrad von 20 % bezeichnen. Der Gesamt-Kopplungsgrad ist dabei die Summe der Kopplungsgrade für alle an diesen Ausgang, entsprechend markierten abgehenden Strahlen. Die Strahlung aus der Lichtleitfaser 1 , führend den Ursprungsstrahl, wird also zu 80 % zur Lichtleitfaser 2 gekoppelt und zu einem Gesamt-Kopplungsgrad zu 20 % zu den Lichtleitfasern F. Jede einzelne Lichtleitfaser F enthält dabei einen gleichen Bruchteil dieses 20 %-Anteils. Die jeweilige Kopplung zwischen F und A, d.h. die Durchleitung des Einzel-Meßstrahls bei Überlagerung mit dem Referenzstrahl zum jeweiligen Detektor kann maximal 1 minus dem Gesamtkopplungsgrad, mit dem der Ursprungsstrahl auf die Fasern verteilt wird, betragen. Durch Reduktion dieses Kopplungsgrades kann eine sehr hohe Signalintensität an den Detektoren erreicht werden, so daß man überwiegend getrennte Signale für die Teilbereiche erfaßt.
Die Bauweise der Fig. 4 kann zu einem Dual-Beam-Interferometer abgewandelt werden, das schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Hierbei ist wesentlich, daß die Interferenz zwischen den Einzel-Meßstrahlen erfolgt und nicht mit Referenzstrahlung aus einem feststehenden Referenzarm, der nicht die Probe umfaßt. Hier bezeichnen gestrichelte Linien einen Gesamt- Kopplungsgrad von ca. 40 %. Jedem Einzel-Meßstrahl wird also hier ein Teil des jeweiligen anderen Einzel-Meßstrahls beigemischt. Am Ausgang A1 liegt somit z. B. bei einem Interferometer I mit drei Einzel-Meßstrahlen (N = 3) der Einzel-Meßstrahl M1 zu 40/3 %, der Einzel-Meßstrahl M2 ebenfalls zu 40/3 % sowie der Einzel-Meßstrahl M3 ebenfalls zu 40/3 % vor. Analoges gilt für die weiteren Ausgänge.
Die Einzel-Meßstrahlen werden miteinander zur Überlagerung gebracht und auf die Ausgänge A gegeben. So können kombinierte Teilbereichsignale erfaßt werden, die unterschiedliche Phasenbeziehungen zwischen den Teilbereichsanteilen besitzen. Damit kann die Auswertevorrichtung 10 Quadraturkomponenten ermitteln, um z.B. Spiegelartefakte, die bei Fourier-Domain-OCT auftreten können, zu reduzieren. Dies gilt gleichermaßen für die Bauweise gemäß Fig. 4.
In der Bauweise der Fig. 5 werden nur wechselseitige Interferenzen zwischen den Teilbereichssignalen detektiert, so daß die Interferenzsignale unabhängig von axialen Bewegungen der Probe P sind, da keine Interferenz mit Strahlung aus feststehenden Referenzarmen erfolgt.
Fig. 6 zeigt eine Bauweise, bei der zum einen der Koppler K durch zwei Einzelkoppler K1 und K2 realisiert ist. Zum anderen erfolgt eine balanced detection, wie sie bereits in der schon zu diesem Gesichtspunkt zitierten US 2006/0109477 A1 für ein andersartiges Interferometer beschrieben wurde. Das Prinzip dieser balanced detection ist u.a., daß paarweise zusammengefaßte Signal eine Phasenverschiebung (z.B. etwa 180°) haben, somit eine Differenzauswertung mittels der Differenzverstärker 13 und 14 etwaige Gleichlichtanteile, z.B. Schwankungen der Intensität der Laserstrahlungsquelle Q oder Störstrahlung, eliminiert. Fig. 6 zeigt das Beispiel für zwei Meßstrahlen, natürlich ist auch eine Variante mit drei oder mehr Meßstrahlen möglich. Hinsichtlich der Kopplungsfaktoren verwendet Fig. 3 dasselbe Schema wie die vorherigen Figuren, durchgezogene Linien entsprechen einem Gesamtkopplungsgrad von 80 % abgehend an dem jeweiligen Anschluß, gestrichelte Linien einem Gesamtkopplungsgrad von 40 % abgehend an dem jeweiligen Anschluß sowie strichpunktierte Linien einem Gesamtkopplungsgrad von 20 % abgehend an dem jeweiligen Anschluß.
Fig. 7 zeigt eine Weiterbildung, bei der im Meßstrahlengang ein Scanner 12 vorgesehen ist, der beispielsweise einen Einzel-Meßstrahl lateral ablenkt, um einen dreidimensionalen Bereich T zu erfassen. Die Kombination mit einem anderen (beispielsweise nicht abgelenkten) Einzel- Meßstrahl erlaubt damit, einen Referenzpunkt zu erfassen, auf den das Koordinatensystem der dreidimensionalen Ablenkung des anderen Probenbereichs bezogen werden kann. Eventuelle axiale Bewegungen der Probe P, z.B. eines Auges, können somit ausgeglichen werden und führen nicht zu einer Verfälschung der dreidimensionalen Abtastung. Zusätzlich kann der Referenzpunkt nicht nur hinsichtlich seiner axialen Lage, sondern durch einen weiteren unabhängigen Scanner im Einzel-Meßstrahlengang dieses Einzel-Meßstrahles auch dreidimensional erfaßt werden, so daß dreidimensionale Bewegungen der Probe in den Meßsignalen für einen anderen abgetasteten Probenbereich ausgeglichen werden können.
In der Bauweise der Fig. 7 ist im wesentlichen die Bauweise der Fig. 6 realisiert, wobei allerdings der Einzel-Meßstrahl M2 und eventuell auch der Einzel-Meßstrahl M1 jeweils mit einem eigenständigen Scanner 12 (bzw. 15) abgelenkt wird. Die Auswerteeinheit 10 nimmt die Signale der entsprechenden Scanner auf und setzt unter Berücksichtigung dieser Signale die von den Differenzverstärkern 13 und 14 abgegebenen Signale zu einem entsprechend hinsichtlich Bewegungen der Probe korrigierten Bild zusammen.
Natürlich kann diese Anwendung der Scanner in jedem der geschilderten Interferometer I verwendet werden. Das veranschaulicht schematisch Fig. 8, die die Verwendung eines Scanners bei einem Dual-Beam-Ansatz zeigt. Die Scaneinrichtung ist also für mindestens einen der Einzel-Meßstrahlen wirksam. Dies ermöglicht bei der Anwendung am Auge auch eine Bildgebung bezüglich der Augenlinse, einschließlich der Bestimmung deren Form (Schrägstellung der Linse, d.h. Winkel zwischen optischer Achse und Sehachse, Krümmung der posterioren Linsenfläche, Krümmung der anterioren Linsenfläche). Auch ist eine Bildgebung im Bereich der Retina möglich, insbesondere im Bereich der Fovea.
Besonders vorteilhaft bei Messungen am Auge ist die Verwendung eines statischen, auf den größten Corneareflex ausgerichteten Einzel-Meßstrahls, während ein zweiter Einzel-Meßstrahl lateral abgelenkt wird, um eine Aufnahme der räumlichen Verteilung von Retinastrukturen zu ermöglichen, beispielsweise zur Bildgebung (dual-beam OCT) oder auch zur Bestimmung der Augenlänge bzgl. bestimmter Referenzpunkte auf der Retina. Auch eine einfache Bestimmung der Häufigkeitsverteilung von Augenlängen beim lateralen Scannen liefert zur Charakterisierung eines Auges geeignet Informationen. Diese Varianten sind wichtig für Katarakt-Fälle, bei denen dem Patienten keine Fixation mehr möglich ist und man die Augenlänge räumlich aufgelöst bzw. statistisch ermitteln müßte.
Nachfolgend wird anhand Fig. 9a der Aufbau des monolithischen Strahltrenners 8 beschrieben. Dieser dient dazu, einen aus einer Lichtleitfaser 4 angelieferten Strahl in zwei Einzel-Strahlen aufzuteilen, die gegeneinander im Hinblick auf eine eventuelle spätere Interferenz axial versetzt sind und evt. auch in unterschiedliche, um einen Abstand a beabstandete Foki gebündelt werden. Im Rückweg, also für Strahlung, die von der Probe P weg propagiert, führt der Strahltrenner 8 die Meß-Strahlengänge wieder zusammen. Der Strahltrenner 8 nimmt ein Strahlenbündel 18, das am Ende der Lichtleitfaser 4 austritt, auf und kollimiert es mittels einer ersten Linsenseite L1, die ein Glaskörper 17 des Strahltrenners 8 aufweist. Die derart kollimierte Strahlung durchläuft dann den Glaskörper 17, der ausgangsseitig eine Pupillenteilung aufweist. Dazu ist in die gegenüberliegende Linsenseite L2 eine längs der optischen Achse verlaufende Bohrung 18 eingebracht. Die am Bohrungsboden 19 austretende Strahlung durchläuft einen um die Tiefe t der Bohrung 18 geringeren Glasweg als die Strahlung, welche an der Linsenseite L2 austritt. Dies bewirkt die Verzögerung der Einzel-Strahlen gegeneinander. Die Verzögerung entspricht also dem optischen Lichtweg der Tiefe t der Bohrung 18 im Glaskörper 17 (natürlich kann ein beliebiges linsentaugliches Material verwendet werden).
In Fig. 9a treten die Einzel-Meßstrahlen in unterschiedlichen Fokuskegeln 20, 21 aus. Diese unterschiedliche Fokussierung ist durch verschiedene Beugungseigenschaften der Linsenfläche L2 sowie des Bohrungsbodens 19 verursacht. Die unterschiedlichen Beugungseigenschaften der dadurch erreichten Pupillenteilung führt dazu, daß die Foki 22, 23 um den Abstand a beabstandet sind. Fokusabstand und Verzögerungen können durch die Linsenflächen und die Bohrungstiefe unabhängig voneinander eingestellt werden.
Die Fokussierung, wie sie in Fig. 9a dargestellt ist, ist natürlich nur beispielhaft zu verstehen. Beispielshalber kann bei einem eben ausgebildeten Bohrungsboden auch der in diesem Pupillenteil austretende Einzel-Strahl parallel sein, bzw. die gleiche, wie die durch die Linsenfläche L1 bewirkte Ausbreitungsrichtung haben.
Fig. 9b zeigt, daß auch ein Wechsel der Strahltrenner 8 möglich ist. Dazu werden verschiedene Strahltrenner 8.1 und 8.2 und 8.3 auf einem Wechselrad W montiert und es wird jeweils derjenige Strahltrenner in den Strahlengang geschwenkt, der benötigt wird. Die verschiedenen Strahltrenner 8.1 , 8.2 und 8.3 unterscheiden sich hinsichtlich der Verzögerung, die durch die optischen Lichtweg der Tiefe t bewirkt ist.
Auch kann anstelle eines abbildenden wirkenden Strahltrenners 8 auch ein nichtabbildender Strahltrenner verwendet werden, wenn die erste und zweite Seite des Glasköpers 17 nicht als Linsenseiten sondern plan ausgebildet sind.
Die Fig. 10 bis 12 zeigen Schemazeichnungen für den Faserkoppler K. In Fig. 10 ist ein 3x3- Koppler dargestellt, der Anschlüsse I - VI aufweist und eine entsprechende Kopplung von I, III und IV einerseits mit II, IV und VI andererseits bewirkt. Fig. 11 zeigt eine Abwandlung des Faserkopplers K der Fig. 10, bei dem nun nicht 3 Fasern partiell verschmolzen wurde, sondern zweimal 2 Fasern. Wie bereits in der zu diesem Gesichtspunkt schon mehrfach zitierten US 2006/0109477 A1 beschrieben, kann dadurch ein 3x3-Koppler ersetzt werden.
Verwendet man ein solches kombiniertes 2x2-Dublett, empfiehlt es sich bei unterschiedlich starken Intensitäten der Einzel-Meßstrahlen, den deutlich stärkeren Einzel-Meßstrahl über die Strecke VI → V laufen zu lassen, wie in den beschriebenen Ausführungsformen dargestellt, um ein Übersprechen in die empfindlichere Strecke IV → III zu vermeiden. Bei der interferometrischen Vermessung des Auges ist das deutlich stärkere Signal üblicherweise das von der Hornhaut, wohingegen das empfindlichere Signal von einem Meßbereich stammt, der an der Netzhaut liegt.
Zur Verwendung der balanced detection ist ein Koppler K vorteilhaft, wie er in Fig. 12 dargestellt ist, der eine 40 %-ige Kreuzkopplung zwischen VI → V und IV → III aufweist. Die physische Ausführung zeigt perspektivisch die Fig. 12. Der Verlauf der Kopplungsstrecke V → IV liegt also über eine Ebene geknickt, die durch die Strecken Il → IV sowie I → Il aufgespannt ist.
Fig. 13 zeigt eine Bauweise ähnlich der der Fig. 1 , wobei hier nun eine sogenannte exakte balanced detection vorgenommen werden kann, das Gemisch also symmetrisch bzw. proportional zusammengesetzt ist.
In der Bauweise der Fig. 13 ist zum einen durch einen gestrichelt eingezeichneten Kasten verdeutlicht, daß der Lichtleitfaser 4 ganz generell ein unterschiedlich ausgebildetes Applikationsmodul 25 nachgeordnet sein kann, das aus dem Meßstrahlengang, der mit der Lichtleitfaser 4 beginnt, die Einzel-Meßstrahlengänge abteilt. In der in Fig. 13 im oberen Kasten dargestellten Variante wird dazu ein dritter Koppler K3 verwendet, der die Trennung und Zusammenführung der Einzel-Meßstrahlengänge übernimmt. Die im unteren Kasten dargestellte Bauweise des Applikationsmoduls 25 der Fig. 13 verwendet den Strahlteiler der Fig. 9a, jedoch in der bereits beschriebenen Variante ohne optische Flächen am Bauteil 8. Die Koppler K1 und K2 realisieren gemeinsam einen Koppler K, der im Prinzip dem der Fig. 1 entspricht. Nun ist der Koppler K2 als 50/50-Koppler bzw. -Teiler ausgeführt, wodurch erreicht wird, daß die Gemische in den Lichtleitfasern 5 und 3 symmetrisch zusammengesetzt sind, also zu gleichen Anteilen die Strahlung aus den Meßstrahlengängen M1 und M2 jeweils mit relativer Phasenverschiebung von 180° bezüglich der Überlagerung mit dem Referenzstrahlengang enthalten. Weiter besteht durch den Aufbau des Kopplers K aus einem 2x2-Koppler-Dublett die Möglichkeit, auf eine Verbindungslichtleitfaser 26 zwischen den Kopplern K1 und K2 zuzugreifen. Dies ermöglicht es, eine Art Zirkulator zu realisieren. Ist die Ursprungsstrahlung aus der Strahlungsquelle Q linear polarisiert und ordnet man in die Lichtleitfaser 26 eine MA- Einheit ein, gelangt in den Meßstrahlengang M zirkulär polarisierte Strahlung. Die dann wieder durch die Lichtleitfaser 26 zur Lichtleitfaser 1 und damit der Quelle Q zurückkehrte Strahlung ist im Ergebnis senkrecht zur Ursprungsstrahlung polarisiert. Dies hat sich für einen ungestörten und stabilen Betrieb der Quelle Q als positiv erwiesen. Auch hier ist die optionale Verwendung eines Faraday-Rotators im Lichtweg 26 vorteilhaft, da ein orthogonaler Polarisationszustand bzgl. des von der Lichtquelle kommenden Lichtes im Lichtweg 26 erzielt wird.
Fig. 14 zeigt eine Abwandlung der Bauweise der Fig. 13. Hier ist die Referenzstrahlung nun durch eine Lichtleitfaserschleife, d.h. eine Verbindung der Lichtleitfasern 2 und 6 erreicht. Man kann dies als transmissive Referenz bezeichnen. Der transmissive Referenzarm kann hierbei Zwecke der Signaleinstellung auf den Detektoren auch feste oder variable Abschwächungselemente beinhalten bzw. so ausgeführt sein, daß eine derartige Abschwächung realisiert wird. Ansonsten gilt für die Bauweise der Fig. 14 das für die Fig. 13 gesagte analog.
Die in Fig. 15 schließlich dargestellte Bauweise entspricht im wesentlichen der der Fig. 14, jedoch sind die Koppler K2 und K1 in ihrer Reihenfolge bezüglich der verbindenden Lichtleitfaser 26 invertiert. Die Ursprungsstrahlung gelangt wiederum zuerst zum Koppler K2, jedoch von dort gleich direkt in den Meßstrahlengang und natürlich auch in den hier wieder transmissiv ausgebildeten Referenzstrahlengang.
Fig. 16 schließlich zeigt eine Bauweise ähnlich der Fig. 15, jedoch ist der Koppler K2 hier zu einem 3x3-Koppler ausgebaut, so daß er über Anschlüsse IV.1 und IV.2 gleich die Abtrennung in die zwei Einzel-Meßstrahlengänge übernimmt.
Wie bereits erwähnt, sind die Einzel-Meßstrahlengänge hinsichtlich ihrer optischen Wege an den Abstand der zu erfassenden Probenbereiche angepaßt. Außer einer Anpassung der reinen Optikwege, kann man auch die Dispersionen für die Meßstrahlen getrennt an die Verhältnisse in der Probe anpassen. Dazu wird individuell in die Meßstrahlengänge ein geeignetes Medium eingebracht, das bei gleicher optischer Verzögerung die Dispersion so beeinflußt, das Einflüsse von meßstrahlenindividuell durchstrahlten Probenbereichen kompensiert sind. Wie auch bereits erwähnt, können die vorstehend geschilderten Ausführungsformen ganz grundsätzlich für SS-, SD- oder TD-OCDR ausgebildet sein. Im letzteren Falle ist eine Verstellung der wirksamen Referenzarmlänge vorgesehen. In den Darstellungen der Figuren 1 , 2, 6, 7, 13, 14, 15 ist dann in dem mit R bezeichneten Referenzstrahlengang zusätzlich noch eine Vorrichtung zur Verstellung der Laufzeit der Strahlung im Referenzstrahlengang vorhanden, beispielsweise die bereits erwähnte RSOD gemäß US 6654127, oder eine Weglängenverstellung. Ein analoges Element ist in Figur 4 und 16 am Anschluß der Lichtleitfaser 2 vorgesehen. Alternativ ist es auch möglich, im Referenzarm eine einstellbare Abschwächung der Referenzstrahlung vorzunehmen, beispielsweise mittels eines variable optical attenuator (VOA) oder dotierten Faserteilen. Damit kann auf einfache Weise eine sehr hohe Abschwächung erreicht werden, die zudem noch angepaßt werden kann. Dies stellt sowohl eine Alternativer zur Wahl geeignetere Faserkopplungsverhältnisse als auch eine Ergänzung für die Feinabstimmung dar.

Claims

Patentansprüche
1. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche (T1, T2) einer Probe (P), insbesondere des Auges (A), welche mind. einen Meßstrahlengang, durch den mehrere Einzel-Meßstrahlen auf die Probe (P) fallen, und einen Referenzstrahlengang (R) aufweist, durch den Referenzstrahlung läuft, mit der die Einzel- Meßstrahlen (M1, M2) überlagert und zur Interferenz gebracht werden, wobei die Einzel- Meßstrahlen (M1, M2) beim Einfall auf die Probe (P) zueinander um ein Maß axial versetzt sind, das auf die axiale Beabstandung (d) abgestimmt ist, und die Interferometeranordnung (I) eine Überlagerungseinrichtung (K, K1, K2) aufweist, die jeden von der Probe zurückkehrenden Einzel-Meßstrahl (M1, M2) mit der Referenzstrahlung interferierend überlagert, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungseinrichtung (K, K1, K2) mehrere Ausgänge (III, V) aufweist, denen jeweils ein Detektor (D1, D2) nachgeordnet ist, wobei die Überlagerungseinheit (K, K1, K2) dieselbe Referenzstrahlung für die Überlagerung aufnimmt, an jedem Ausgang (IM, V) ein Gemisch mehrerer mit der Referenzstrahlung überlagerter Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) abgibt, wobei jedes Gemisch Anteile mehrerer der Einzel-Meßstrahlen (M1, M2), mit der Referenzstrahlung in unterschiedlicher Phasenlage überlagert, enthält.
2. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßstrahlung bereitstellende Strahlquelle (Q) vorgesehen ist, die einen Ursprungsstrahl abgibt, der der Überlagerungseinrichtung (K; K1, K2) zugeführt ist, die bestimmte Intensitätsanteile des Ursprungsstrahl in den Meßstrahlengang (M) sowie den Referenzstrahlengang (R) abteilt.
3. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) in jedem Gemisch im wesentlichen gleiche Anteile haben.
4. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung zur Messung mehrerer axial beabstandeter Bereiche (T1, T2) einer Probe (P), insbesondere des Auges (A), welche mind. einen Meßstrahlengang, durch den mehrere Einzel-Meßstrahlen auf die Probe (P) fallen, wobei die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) beim Einfall auf die Probe (P) zueinander um ein Maß axial versetzt sind, das auf die axiale Beabstandung (d) abgestimmt ist, und die Interferometeranordnung (I) eine Überlagerungseinrichtung (K, K1, K2) aufweist, die mindestens zwei der Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) miteinander interferierend überlagert, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungseinrichtung (K, K1, K2) jedem der zwei Einzel- Meßstrahlen den jeweils anderen interferierend überlagert und dann auf einen zugeordneten Detektor (D1, D2) leitet.
5. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Meßstrahlengang (M) vorgesehene Linseneinrichtung (8), die die Meßstrahlung in die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) trennt und die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) gegeneinander verzögert und mit unterschiedlichen Fokuslängen auf die Probe (P) fokussiert.
6. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linseneinrichtung (8) die Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) durch eine Pupillenteilung trennt, wobei jedem Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) ein eigener Pupillenbereich der Linseneinrichtung (8) zugeordnet ist, die Abbildungseigenschaften sowie die optischen Weglängen und/oder Dispersionen der Pupillenbereiche unterschiedlich sind.
7. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linseneinrichtung (8) einen Glaskörper (17) mit zwei Linsenflächen (L1, L2) aufweist und an einer Linsenseite eine entlang der optischen Achse in den Glaskörper (17) verlaufende Bohrung oder Füllung mit einem Material anderer Brechzahn ausgebildet ist.
8. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungseinrichtung (K; K1, K2) pro Paar an Einzel- Meßstrahlengängen einen 3x3-Fasersplitter (K) oder zwei kombinierte 2x2 Fasersplitter (K1, K2) aufweist.
9. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungseinrichtung (K; K1, K2) weniger als 50 % der Intensität des Ursprungstrahls in den Meßstrahlengang (M) leitet und dadurch für jeden Einzel-Meßstrahl weniger als 50 % Intensitätsverlust beim Überlagern der Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) und Weiterleiten zu den Detektoren (D1, D2) realisiert.
10. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Detektoren (D1, D2) in einer Differenzauswertung ausgelesen werden.
11. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahlengang ein für alle Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) wirksamer Polarisationskontroller (7; 7.1 , 7.2) oder in jedem Einzel-Meßstrahlengang ein Polarisationskontroller (7.1 , 7.2) vorgesehen ist, um vor der Überlagerung der Einzel- Meßstrahlen (M1, M2) die Polarisationszustände der Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) aneinander anzugleichen.
12. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur SS-OCDR mittels durchstimmbarer Strahlungsquelle ausgebildet ist.
13. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Versatz der Einzel-Meßstrahlen (D1, D2) größer ist, als ein durch die durchstimmbare Strahlungsquelle gegebener Meßbereich.
14. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mind. eine Scaneinrichtung zum Scannen der Probe (P) durch laterale Relativ-Verschiebung von Probe (P) und mind. einem der Einzel-Meßstrahlen (M1, M2) vorgesehen ist.
15. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur SD-OCDR mittels breitbandiger Strahlungsquelle und spektralauflösender Detektoren ausgebildet ist.
16. Kurzkohärenz-Interferometeranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur TD-OCDR mittels breitbandiger Strahlungsquelle und Referenzarm mit schnell variierender optischer Weglänge ausgebildet ist.
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