DE102005005816A1

DE102005005816A1 - Vorrichtung zur Positionsbestimmung voneinander distanzierter Bereiche in transparenten und/oder diffusen Objekten

Info

Publication number: DE102005005816A1
Application number: DE102005005816A
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Prof. Dr. Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17
Also published as: JP2008528218A; WO2006081998A1; EP1844294A1; JP4871297B2; US20070291276A1; US7656537B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dicken-, Abstands- und/oder Profilbestimmung voneinander distanzierter Bereiche eines tranparenten und/oder diffusen Objektes, insbesondere zur Messung von Abständen im Auge. DOLLAR A Bei der Vorrichtung zur Positionsbestimmung unter Verwendung einer Interferometeranordnung nach dem Michelson-Prinzip ist zur Weglängenänderung im Referenz- oder Messstrahlengang eine Scanneinheit (2) angeordnet, die aus einem Scanntisch (5) besteht, der in entsprechenden Führungen translatorisch beweglich ist, wobei die Bewegungsrichtung einen Winkel alpha zum Referenzstrahl (1) einschließt, und bei der auf dem Scanntisch (5) mindestens zwei Referenzspiegel (3, 4) angeordnet sind, die in Richtung des Referenzstrahles (1) einen Abstand d aufweisen und sich seitlich geringfügig überlappen, so dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches (5) der Referenzstrahl (1) erst von dem ersten Referenzspiegel (3) und dann von dem zweiten Referenzspiegel (4) in sich reflektiert wird.

Description

Die vorgeschlagene Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Dicken-, Abstands- und/oder Profilbestimmung voneinander distanzierter Bereiche eines transparenten und/oder diffusen Objektes. Insbesondere ist die Lösung zur Messung von Teilstrecken, d. h. von Abständen zwischen Oberflächen, Grenzflächen oder Störstellen im Auge geeignet. Die Messung dieser Teilstrecken ist für die Katarakt-Chirurgie und die refraktive Augenchirurgie von besonderer Bedeutung.
Die Bestimmung der Länge der einzelnen axialen Augenabschnitte kann mittels akustischer oder optischer Längenmessverfahren erfolgen. Die Kurzkohärenzinterferometrie findet dabei durch die Vorteile einer berührungsfreien und hochpräzisen Arbeitsweise immer breitere Anwendung.

In der Regel werden für die Kurzkohärenzinterferometrie Anordnungen nach dem Michelson-Prinzip verwendet, bei denen der Strahl einer kurzkohärenten Strahlungsquelle in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgespalten wird. Ist die Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes kleiner als die optische Weglänge zwischen den zu messenden Grenzflächen, so tritt zwischen den von den Grenzflächen reflektierten Lichtbündeln keine Interferenz auf. Die im Referenzstrahlengang mit Hilfe eines Referenzspiegels durchgeführte Weglängenänderung führt nach Vereinigung vom Mess- und Referenzstrahl zu Interferenzen, für den Fall, dass die Weglängen von Mess- und Referenzstrahl identisch sind. Dabei kann die Weglängenänderung beispielsweise durch translatorische Bewegung des Referenzspiegels (gemäß DE 32 01 801 C2 ) oder auch durch Rotation eines transparenten Würfels (gemäß WO 96/35100) erfolgen. Die entstehenden Interterenzmuster werden auf einen Detektor geleitet und entsprechend ausgewertet. Die Weglängenänderung des Referenzstrahles ist ein direktes Maß für den gesuchten Abstand zwischen den Grenzflächen des Auges.

In der klassischen Kurzkohärenzinterferometrie fährt der Referenzspiegel eine der zu messenden Distanz entsprechende Wegstrecke ab, während sich das Messobjekt in Ruhe befindet. Da es schwierig ist ein Auge für die Dauer der Messung von Distanzen von ca. 30 mm zu fixieren, wurden für ophthalmologische Anwendungen spezielle Lösungen entwickelt, die auch Messungen an lebenden Objekten ermöglichen. Durch unzureichende Fixation des zu vermessenden Auges verursachte Messfehler können dabei durch Scannstrecken von nur wenigen Millimetern vermieden werden.

Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, die Interferometeranordnungen mit kurzkohärenten Strahlungsquellen speziell für ophthalmologische Anwendungen verwenden.

Bei den sogenannten Dual-Beam-Verfahren werden in der Tiefe distanzierte Bereiche eines Auges von zwei Messstrahlen gleichzeitig beleuchtet/scannt. Die in der DE 32 01 801 C2 beschriebene Lösung verwendet dabei Messstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge, die mittels eines diffraktiven optischen Elementes auf die Kornea und beispielsweise den Fundus fokussiert werden. Die Interferometeranordnung ist dabei auf die zu messende Distanz, beispielsweise Kornea-Fundus, abgestimmt, so dass eine Scannstrecke von nur wenigen Millimetern erforderlich ist.

In der WO 01/38820 A1 wird eine Lösung beschrieben, die zwei in der Tiefe distanzierte Bereiche eines Auges mit einem Doppelstrahl beleuchtet/scannt. Hierbei wird aus dem auf eine erste Grenzfläche fokussierten Messstrahl vor dem Messobjekt ein Teilstrahl ausgeblendet, über eine sogenannte Umwegeinheit geleitet und auf eine zweite Grenzfläche des Auges fokussiert.

Eine einzige Messung verarbeitet somit Reflexionen an mehreren Grenzflächen des Auges nahezu gleichzeitig. Um die einzelnen Reflexionen dennoch unterscheiden zu können, haben die Strahlen unterschiedliche optische Eigenschaften, wie beispielsweise Wellenlänge, Polarisationszustand o. ä..

Die Auswertung der beiden Messstrahlen erfolgt durch Weglängenänderung des Referenzstrahles, wobei für die unterschiedlichen Messstrahlen auch unterschiedliche Interterenzmuster erzeugt werden.

Die beschriebenen Anordnungen haben jedoch den Nachteil, dass die Messstrahlen gleichzeitig zwei oder mehrere Grenzflächen beleuchtet/scannt, wodurch die nicht zur Messung beitragende Strahlung einen störenden Untergrund und Rauschen erzeugt. Je ungenauer die Abstimmung der Interferometeranordnung auf die zu messende Distanz ist, desto größer wird deren erforderlicher Scannbereich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine kurzkohärente Interferometeranordnung zu entwickeln, mit der Teilstrecken eines Auges bei hoher Genauigkeit, einfach und schnell gemessen werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsbestimmung voneinander distanzierter Bereiche in transparenten und/oder diffusen Objekten sieht dazu die Verwendung einer Interferometeranordnung nach dem Michelson-Prinzip vor. Zur Weglängenänderung im Referenzstrahlengang ist eine Scanneinheit angeordnet, die aus einem Scanntisch besteht, der in entsprechenden Führungen translatorisch beweglich ist. Die Bewegungsrichtung schließt dabei einen Winkel α zum Referenzstrahl ein. Auf dem Scanntisch sind mindestens zwei Referenzspiegel angeordnet, die in Richtung des Referenzstrahles einen Anstand d aufweisen und sich seitlich geringfügig überlappen, so dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches der Referenzstrahl erst vom ersten und dann vom zweiten Referenzspiegel in sich reflektiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Positionsbestimmung voneinander distanzierter Objektbereiche in transparenten und/oder diffusen Gegenständen und insbesondere zur Messung von Teilstrecken zwischen Oberflächen, Grenzflächen oder Störstellen im Auge geeignet. Die Messung von Teilstrecken im Auge ist für die Katarakt-Chirurgie und die refraktive Augenchirurgie von besonderer Bedeutung und finden immer breitere Anwendung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Dazu zeigen
1: eine Scanneinheit mit zwei Referenzspiegeln und
2: eine Scanneinheit mit zwei, als Referenzspiegel dienenden Prismen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsbestimmung voneinander distanzierter Bereiche in transparenten und/oder diffusen Objekten sieht die Verwendung einer Interferometeranordnung nach dem Michelson-Prinzip vor.
Zur Weglängenänderung ist im Referenz- oder Messstrahlengang eine Scanneinheit angeordnet. Die Scanneinheit besteht aus einem Scanntisch, der in entsprechenden Führungen translatorisch beweglich ist, wobei die Bewegungsrichtung einen Winkel α zum Referenzstrahl einschließt.
Auf dem Scanntisch sind mindestens zwei Referenzspiegel angeordnet, die in Richtung des Referenzstrahles einen Anstand d aufweisen und sich seitlich geringfügig überlappen, so dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches der Referenzstrahl erst von dem ersten und dann von dem zweiten Referenzspiegel in sich reflektiert wird.
1 zeigt eine erste Ausgestaltungsvariante einer im Referenzstrahlengang 1 anzuordnenden Scanneinheit 2 mit zwei Referenzspiegeln 3 und 4.
Der Scanntisch 5 der Scanneinheit 2 wird von einem Motor 6 in entsprechenden Führungen 7 translatorisch, pendelnd bewegt, wobei die Bewegungsrichtung 8 einen Winkel α zum Referenzstrahl 1 einschließt.
Als Motor 6 kommen dabei vorzugsweise Schritt- oder Piezomotoren zum Einsatz. Es ist aber auch möglich Voice-Coil- oder Ultraschall-Piezo-Scanntische einzusetzen.
Der Winkel α bestimmt dabei die Aufteilung des Scannhubes auf die x- und y-Komponente. Bei einem Winkel von α=45° beträgt das Verhältnis 1:1. Die Komponenten Winkel α, Abstand d und Ausdehnung α sind dabei so aufeinander abzustimmen, dass die technische Aufgabe mit der Anordnung gelöst werden kann.
Auf dem Scanntisch 5 sind die zwei Referenzspiegel 3 und 4 angeordnet, die in Richtung des Referenzstrahles 1 einen Abstand d und eine seitliche Ausdehnung a aufweisen, die für beide Referenzspiegel 3 und 4 vorzugsweise gleich ist.
Durch eine seitlich geringfügige Überlappung der Referenzspiegel 3 und 4 wird gewährleistet, dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches 5 der Referenzstrahl 1 nacheinander von den Referenzspiegeln 3 und 4 in sich reflektiert wird. Die Darstellung des Referenzstrahles 1 als umgelenkter Strahl dient nur einer besseren Veranschaulichung. Die pendelnde Bewegung des Scanntisches 5 soll durch den dünn dargestellten Scanntisch 5' mit den Referenzspiegeln 3' und 4' verdeutlicht werden. Der Referenzstrahl 1 wird entweder vom Referenzspiegel 3 oder 4' in sich reflektiert.
Vorteilhafter Weise kann der Abstand d der Referenzspiegel 3 und 4 variiert werden. Durch vorherige Einstellung von d auf den Abstand der zu bestimmenden voneinander distanzierte Bereiche kann die Scannzeit wesentlich verkürzt werden. Je genauer der eingestellte Abstand d dem tatsächlichen Wert entspricht, desto kurzer ist die Scannzeit. Die beiden Referenzstrahlen haben somit immer einen Längenunterschied von 2d.
Um die Vorrichtung für unterschiedliche Abstände zu dem zu messenden Objektes verwenden zu können, ist es weiterhin vorteilhaft die Scanneinheit 2 als Ganzes verschiebbar zu gestalten.
Die Genauigkeit der Interferometeranordnung wird durch Dispersion in den einzelnen Messarmen beeinträchtigt. Um eine maximale Genauigkeit zu erreichen, muss die Dispersion in beiden Interferometerarmen möglichst gleich groß sein. Während die bauteilbedingte Dispersion durch entsprechend dicke Planplatten korrigiert werden kann, sind für die Kompensation der objektbezogenen Dispersion zwei Keilplatten im Referenzstrahlengang erforderlich, die entsprechend gegeneinander verschoben werden.
Zur Dispersionskompensation können vor den Referenzspiegeln 3 und 4 Planplatten 9 und/oder Keilplatten 10 angeordnet werden. Dabei auftretenden Strahlbrechungen sind bei der Ausrichtung der Referenzspiegel 3 und 4 zu berücksichtigen.
In einer weiteren Ausgestaltung können auf dem Scanntisch 5 mehr als zwei Referenzspiegel mit unterschiedlichen Abständen d angeordnet sein. Dadurch kann gewährleistet werden, dass mit einem Scannvorgang die Position von mehr als zwei voneinander distanzierter Bereichen bestimmen werden können.
Um die Zeit für die Positionsbestimmung möglichst klein zu halten, sollte der Scannbereich nicht wesentlich größer sein als die Summe der seitlichen Ausdehnung aller Referenzspiegel geteilt durch den Sinus des Winkels α.
2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung, bei der auf dem Scanntisch 5 der Scanneinheit 2 zwei Prismen 11 und 12 als Referenzspiegel angeordnet sind.
Die verwendeten Prismen 11 und 12 können dabei so dimensioniert sein, dass auf Keilplatten 10 verzichtet werden kann. Zum Dispersionsausgleich weist das Prisma 12 einen längeren Glasweg auf.
Der Scanntisch 5 wird von einem Motor 6 in entsprechenden Führungen 7 translatorisch, pendelnd bewegt, wobei die Bewegungsrichtung 8 einen Winkel α zum Referenzstrahl 1 einschließt.
Auf dem Scanntisch 5 sind zwei Prismen 11 und 12 angeordnet, die in Richtung des Referenzstrahles 1 einen Anstand d und eine seitliche Ausdehnung a aufweisen, die für beide Prismen 11 und 12 vorzugsweise gleich ist.
Durch eine seitlich geringfügige Überlappung der Prismen 11 und 12 wird gewährleistet, dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches 5 der Referenzstrahl 1 nacheinander von den beiden Prismen 11 und 12 auf einen zusätzlich vorhandenen Spiegel 13 umgelenkt und nach Reflexion an diesem Spiegel 13 durch nochmaliges umlenken in sich reflektiert wird.
Auch hier können zur Dispersionskompensation vor den Prismen 11 und 12 Planplatten 9 und/oder Keilplatten 10 angeordnet werden. Dabei auftretenden Strahlbrechungen sind bei der Ausrichtung der Referenzspiegel 3 und 4 zu berücksichtigen.
Die Darstellung des Referenzstrahles 1 als umgelenkter Strahl dient nur einer besseren Veranschaulichung. Die pendelnde Bewegung des Scanntisches 5 soll durch den dünn dargestellten Scanntisch 5' mit den Prismen 11' und 12' verdeutlicht werden. Der Referenzstrahl 1 wird entweder vom Prisma 11 oder 12' in sich reflektiert.
Durch die Verwendung der Prismen 11 und 12 kann der Scannbereich der Vorrichtung verdoppeln werden. Der zusätzlich vorhandene Spiegel 13 kann dabei auch als Prisma ausgeführt sein. Vorteilhafterweise wird bei dieser Variante der Einfluss von Verkippungen, die durch eine ungenaue Anordnung oder unkorrekte Führungen 7 verursacht werden und das Interferometersignal verschlechtern, reduziert.
Es ist aber auch möglich mehrere zusätzliche Spiegel 13 anzuordnen, so dass der erst von dem ersten Prisma 11 und dann von dem zweiten Prisma 12 umgelenkte Referenzstrahl 1 durch mehrmalige Reflexion und durch nochmaliges umlenken in sich reflektiert wird. Mit diesen zusätzlichen Spiegeln kann der Strahlengang geschickt gefaltet werden, so dass der Bewegungsbereich bei gleichem Scannhub vergrößert wird.
Die so erzeugten Referenzstrahlen werden mit den an den zu bestimmenden Objektbereichen (Grenzflächen) reflektierten Messstrahlen überlagert, auf einem Detektor abgebildet und ausgewertet. Die im Referenzstrahlengang mit Hilfe der Referenzspiegel 3 und 4 bzw. der Prismen 11 und 12 durchgeführte Weglängenänderung führt zu Interferenzen, für den Fall, dass die Weglängen von Mess- und Referenzstrahl identisch sind. Die Weglängenänderung des Referenzstrahles ist ein direktes Maß für den zu bestimmenden Abstand zwischen den distanzierten Bereichen des Objektes.
In einer nicht dargestellten Variante sind aber auch die Kombinationen eines Referenzspiegels mit einem Prisma möglich. Wird beispielsweise als erstes Umlenkelement ein Referenzspiegel und als zweites Umlenkelement ein Prisma verwendet, so ist ein einfacher Dispersionsausgleich dadurch möglich, dass das Prisma über den entsprechenden Glasweg verfügt.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es möglich zwei oder mehr voneinander distanzierte Bereiche eines transparenten und/oder diffusen Objektes direkt hintereinander zu scannen und deren Position in einem Messvorgang zu bestimmen.
Im Gegensatz zu den Lösungen nach dem Stand der Technik ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung am Ausgang des Interferometers nur ein Detektor erforderlich, da ein und derselbe Messstrahl die Position der voneinander distanzierten Bereiche nacheinander bestimmt. Es sind weder unterschiedliche Wellenlängen noch Polarisationszustände des Messstrahles erforderlich, wodurch sich der Aufbau der Vorrichtung wesentlich vereinfacht.
Durch die Verringerung der Scannstrecke auf wenige Millimeter kann eine sehr schnelle Positionsbestimmung der voneinander distanzierten Bereiche erfolgen.
Besonders vorteilhaft wirkt sich bei der vorgeschlagenen Vorrichtung aus, dass die Messstrahlen nacheinander auf die entsprechenden Bereiche fokussiert werden, da dadurch die Streulichtanteile wesentlich geringer sind und sich die Signalqualität erhöht.

Claims

Vorrichtung zur Positionsbestimmung voneinander distanzierter Bereiche in transparenten und/oder diffusen Objekten unter Verwendung einer Interferometeranordnung nach dem Michelson-Prinzip, bei der zur Weglängenänderung im Referenz- oder Messstrahlengang eine Scanneinheit (2) angeordnet ist, die aus einem Scanntisch (5) besteht, der in entsprechenden Führungen translatorisch beweglich ist, wobei die Bewegungsrichtung einen Winkel α zum Referenzstrahl (1) einschließt, und bei der auf dem Scanntisch (5) mindestens zwei Referenzspiegel (3, 4) angeordnet sind, die in Richtung des Referenzstrahles (1) einen Anstand d aufweisen und sich seitlich geringfügig überlappen, so dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches (5) der Referenzstrahl (1) erst von dem ersten Referenzspiegel (3) und dann von dem zweiten Referenzspiegel (4) in sich reflektiert wird.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, bei der die im Referenzstrahlengang angeordnete Scanneinheit (2) zur Anpassung an den Abstand des zu messenden Objektes als Ganzes verschiebbar ist.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, bei der Abstand d der Referenzspiegel (3, 4) zur Anpassung an den Abstand der zu bestimmenden voneinander distanzierter Bereiche veränderbar ist.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der auf dem Scanntisch (5) mehr als zwei Referenzspiegel entsprechend angeordnet sein können, um mit einem Scannvorgang die Position von mehr als zwei voneinander distanzierter Bereichen bestimmen zu können.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der vor den Referenzspiegeln (3, 4) zur Dispersionskompensation Planplatten (9) und/oder Keilplatten (10) angeordnet sind, wobei eine eventuelle Strahlbrechung bei der Ausrichtung der Referenzspiegel (3, 4) zu berücksichtigen ist.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der der Scannbereich nicht wesentlich größer ist als die Summe der seitlichen Ausdehnung a aller Referenzspiegel geteilt durch den Sinus des Winkels α.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der auf dem Scanntisch (5) mindestens zwei Prismen (11, 12) als Referenzspiegel angeordnet sind, die in Richtung des Referenzstrahles (1) einen Anstand d aufweisen und sich seitlich geringfügig überlappen, so dass während der motorisch pendelnden Bewegung des Scanntisches (5) der Referenzstrahl (1) erst von dem ersten Prisma (11) und dann von dem zweiten Prisma (12) auf einen zusätzlich vorhandenen Spiegel (13) umgelenkt und nach Reflexion an diesem Spiegel (13) durch nochmaliges umlenken in sich reflektiert wird.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 7, bei der mehrere zusätzliche Spiegel (13) vorhanden sind, so dass der erst von dem ersten Prisma (11) und dann von dem zweiten Prisma (12) umgelenkte Referenzstrahl (1) durch mehrmalige Reflexion und durch nochmaliges umlenken in sich reflektiert wird.
Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der auf dem Scanntisch (5) Prismen und Referenzspiegel angeordnet sein können.