DE69432395T2

DE69432395T2 - Verfahren und Vorrichtung zur tomographischen Abbildung des Augenhintergrundes mittels optischer Kohärenz

Info

Publication number: DE69432395T2
Application number: DE69432395T
Authority: DE
Inventors: Thomas Danville Hellmuth; Jay Fremont Wei
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-11-11
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2014-11-12
Also published as: JPH0898813A; DE69432395D1; JP3725572B2; US5537162A; EP0659383B1; EP0659383A2; EP0659383A3; ES2194018T3

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur tomographischen Abbildung des Augenhintergrunds mittels optischer Kohärenz ("OCT").
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gegenwärtig erleben zwei Techniken der Reflektometrie intensive Forschungs- und Entwicklungsbemühungen. Die beiden Techniken sind die Zeitbereichsreflektometrie ("OTDR") und die optische Koharenzbereichsreflektometrie ("OCDR"). OTDR ist eine optische Entsprechung von Radar und Sonar. Gemäß OTDR werden kurze Lichtimpulse, die Impulslängen in Picosekunden oder sogar Femtosekunden aufweisen, von einer passenden Laserquelle ausgestrahlt und treffen auf eine Probe auf. Die Lichtimpulse werden von verschiedenen Aufbauten, die die Probe umfassen, reflektiert, und die reflektierten Impulse werden durch einen Zeitauflösungsdetektor festgestellt. Die Entfernung zwischen jeder reflektierenden Oberfläche der Probe und dem Detektor wird aufgrund ihrer Verhältnismäßigkeit zur Zeit des Flugs der Lichtimpulse von der Lichtquelle zur reflektierenden Oberfläche und wieder zurück bestimmt. In der Praxis kann das Feststellsystem eine nichtlineare optische Kreuzkorrelationsvorrichtung wie jene sein, die in einem Artikel mit dem Titel "Femtosecond Optical Ranging in Biological Systems" von J. G. Fujimoto u.a., veröffentlicht in Optics Letters, Vol. 10., Nr. 3, März 1986, Seiten 150 – 152, beschrieben ist. Wie im Artikel beschrieben wird ein Strahl aus Licht, der von der Probe reflektiert wurde, über eine Lichtimpulsfolge, die von der Quelle in einem nichtlinearen optischen Kristall ausgestrahlt wird, gelegt. Die optische Weglänge des Bezugsstrahls wird durch Bewegung eines Bezugsspiegels, der an einer Übertragungsbühne be festigt ist, verändert.
Die Auflösung der OTDR-Technik kann durch eine optische Kohärenzbereichsreflektometrietechnik ("OCDR"), die beispielsweise in einem Artikel mit dem Titel "New Measurement System for Fault Location in Optical Waveguide Devices Based on an Interferometric Technique" von K. Takada u.a., veröffentlicht in Applied Optics, Vol. 26, Nr. 9, 1. Mai 1987, Seiten 1603 – 1606, beschrieben ist, weiter verbessert werden. Gemäß OCDR wird eine Breitband-Dauerlichtquelle verwendet (gemäß OTDR wird eine Impulslichtquelle verwendet). Wie in Abschnitt 7.5.8 eines Buchs mit dem Titel "Principles of Optics", 6. Ausgabe, M. Born und E. Wolf, Pergamon Press, New York (1986), dargestellt ist, steht die Kohärenzlänge L der Breitband-Dauerlichtquelle durch die folgende Gleichung mit ihrer Bandbreite B in Beziehung:
L = c/B
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Gemäß OCDR wird das Ausgangssignal von der Quelle durch einen Strahlteiler in zwei Strahlen geteilt. Einer der Strahlen trifft auf einen Spiegel, der in der Folge als Bezugsspiegel bezeichnet wird. Der andere der Strahlen wird so gelenkt, daß er auf eine Probe auftrifft. Von der Probe reflektiertes Licht wird mit Licht überlegt, das vom Bezugsspiegel reflektiert wurde. Die übereinandergelegten Strahlen interferieren, wenn der Unterschied des optischen Wegs zwischen den zwei Strahlen geringer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle ist. Gemäß OCDR wird ferner der Bezugsspiegel mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Als Ergebnis wird die Interferenz als eine periodische Schwankung eines Detektorsignals festgestellt, das eine Frequenz aufweist, die einer Doppler-Verschiebungs-Frequenz gleich ist, welche durch Bewegung des Bezugsspiegels mit der konstanten Geschwindigkeit eingebracht wird. Das Interferenzsignal verschwindet, sobald der Unterschied des optischen Wegs zwischen dem Strahl, der von der Probe reflektiert wurde, und dem Strahl, der vom Bezugsspiegel reflektiert wurde, größer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle wird. Wie Fachleute leicht verstehen werden, muß die Verschiebung des Bezugsspiegels in einem Bereich sein, der der Tiefe der abzubildenden Probe entspricht. OCDR ist daher eine Technik, die eine optische Entfernungsmessung mit einer hohen Auflösung bereitstellt, welche nur durch die Bandbreite der Lichtquelle beschränkt ist.
OCDR wird mit einer quer scannenden Vorrichtung kombiniert, um durch eine Technik, die in der Technik als optische Kohärenztomographie ("OCT") bezeichnet wird, dreidimensionale Abbildungen von halbdurchsichtigen Objekten wie der Netzhaut des menschlichen Auges zu erhalten. Diese Technik wurde beispielsweise in einem Artikel mit dem Titel "Optical Coherence Tomography" von Huang u.a., veröffentlicht in Science, 254, 22. November 1991, Seiten 1178–1181, beschrieben.
Bei ophthalmoskopischen Anwendungen von OCT ist es nötig, den Interessensbereich auf dem Augenhintergrund, d.h., die Stelle, an der die Netzhaut durch einen OCT-Abtaststrahl gescannt werden soll, festzusetzen. 1 zeigt eine Figur aus einer medizinischen Dissertation mit dem Titel "Optical Coherence Tomography" von David Huang, Massachusetts Institute of Technology, Mai 1993, worin eine Probenzweigfaser eines OCT-Systems mit einem Spaltlampen-Biomikroskop 2000, einem klinischen Instrument, das allgemein zur Untersuchung des Auges verwendet wird, gekoppelt ist. Wie in 1 gezeigt ist eine quer scannende Vorrichtung am Spaltlampen-Biomikroskop 2000 angebracht, und zwei galvanometergetriebene Motoren gestatten, daß der Abtaststrahl in einem willkürlichen Muster auf der Netzhaut gescannt wird. 1 zeigt, daß die OCT-Abbildungsvorrichtung 2000 aus einer Spaltlampensichtoptik 2010 und einer Okularlinse 2020 zur Abbildung des Augenhintergrunds besteht. Wie in 1 gezeigt wird ein Abtaststrahl 2050, der das Ausgangssignal einer Probenzweigfaser 2060 ist, durch eine Kollimationslinse 2070 gebündelt und durch orthogonal angebrachte galvanometergetriebene Spiegel 2030 und 2040 gesteuert. Eine Fokussierlinse 2080 und ein Kaltlichtspiegel 2090 lenken den Abtaststrahl in die Bildebene des Spaltlampen-Biomikroskops 2000. Dann gibt die Okularlinse 2020 zusammen mit der Optik des Auges 2100 die Bildebene des Spaltlampen-Biomikroskops 2000 auf die Netzhaut weiter. Wie offenbart ist, bilden die Fokussierlinse 2080 und die Okularlinse 2020 ein telezentrisches System, so daß der Abtaststrahl, der auf einen Galvanoscanner 2030 auftrifft, in die Eingangspupille des Auges 2100 abgebildet wird und als Ergebnis die Vignettierung minimiert wird. Zusätzlich ist ein roter Leitstrahl so angeordnet, daß er gleichlinear mit dem Abtaststrahl verläuft, um es einem Bediener zu ermöglichen, zu sehen, wo sich der Infrarotabtaststrahl auf dem Augenhintergrund befindet.
Die in 1 gezeigte und in der Dissertation beschriebene ophthalmoskopische Anwendung von OCT leidet an mehreren Nachteilen. Der erste Nachteil ergibt sich aus dem Umstand, daß der Brechungsfehler eines menschlichen Auges innerhalb eines Bereichs von bis zu ±20 Dioptrien schwankt. Daher besteht eine Notwendigkeit, den Abtaststrahl und die Abbildungsoptik des Spaltlampen-Biomikroskops 2000 zu fokussieren, um den Brechungsfehler des menschlichen Auges auszugleichen. Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung sind die Fokussierlinse 2080 und die Spaltlampensichtoptik 2010 jedoch fixiert. Als Ergebnis wird die erforderliche Fokussierung durch Bewegung der Okularlinse 2020 entlang der optischen Achse des Spaltlampen-Biomikroskops 2000 erreicht. Ein Nachteil davon ist, daß sich das Bild des galvanometergetriebenen Spiegels 2030 wie auch das Bild der Spaltbeleuchtung 2110 relativ zur Pupille des Auges 2100 bewegt, wenn die Okularlinse 2020 eingestellt wird. Somit muß die Beleuchtung 2110 durch Bewegen des Mikroskops 2000 refokussiert werden. Dann muß das Bild des Augenhintergrundes refokussiert werden, usw., um zu einer Position zu gelangen, in der sowohl die Beleuchtung 2110 als auch der Spiegel 2030 richtig fokussiert sind.
Der zweite Nachteil ergibt sich aus Einstellungen, die kennzeichnenderweise vorgenommen werden, um die Wirkung der Verwendung einer hellen Beleuchtungslichtquelle bei der Augenhintergrundabbildung zu überwinden. Es ist nötig, bei der Augenhintergrundabbildung eine helle Beleuchtungslichtquelle zu verwenden, da die niedrige Rückstreuungsleistungsfähigkeit des Augenhintergrunds (das Reflexionsvermögen des Augenhintergrunds ist annähernd 10–4) andernfalls zu einem Augenhintergrundbild führen würde, das ein eher niedriges Lichtniveau aufweist. Wie in 1 gezeigt und in der Dissertation beschrieben wird die Spaltbeleuchtung 2110 durch die Okularlinse 2020 in die Augenpupille abgebildet. Das Reflexionsvermögen der Hornhaut des Auges und das Reflexionsvermögen der Okularlinse 2020 (in der Praxis ist die Okularlinse 2020 eine Volk doppelasphärische Biolinse, die von Volk, 7893 Enterprise Drive, Mentor, Ohio 44060 hergestellt wird) liegen jeweils in der Größenordnung von 4%, und diese Reflexionsvermögen sind viel größer als das des Augenhintergrunds. Daher ist es nötig, Einstellungen vorzunehmen, um Rückstrahlungen von der Hornhaut und von der Okularlinse 2020 aus dem Beobachtungsweg des Spalt-Biomikroskops 2000 zu halten. Wie in einem Anweisungshandbuch mit dem Titel "VOLK Double Aspheric Bio Lenses", herausgegeben von Volk aus Mentor, Ohio, auf Seite 3 offenbart ist, werden die Einstellungen vorgenommen, um Rückstrahlungen zu verringern, indem die Spaltbeleuchtung 2110 relativ zur optischen Achse schräggestellt wird und die Okularlinse 2020 schräggestellt wird. Diese Einstellungen verursachen jedoch Astigmatismus und Vignettierung.
Angesichts des oben Angeführten besteht in der Technik ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung für eine OCT-Augenhintergrundabbildung, womit die oben beschriebenen Probleme überwunden werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vorteilhafterweise überwinden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Probleme in der Technik und stellen ein Verfahren und eine Vorrichtung für die OCT-Augenhintergrundabbildung gemäß Anspruch 1 und 12 bereit.
In einer besonderen Ausführungsform dieses Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung umfaßt das Mittel zum Abbilden eine Okularlinse einer Augenhintergrundkamera und das Mittel zum Übertragen ferner einen Strahlteiler, um das Ausgangssignal vom Fokussiermittel zur Okularlinse zu lenken.
Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Beleuchten des Hintergrunds eines Auges mit einem scannenden Abtaststrahl aus Strahlung. Die Vorrichtung umfaßt auch einen Strahlscanner, der einem Abtaststrahl ausgesetzt wird, um einen scannenden Abtaststrahl zu erzeugen. Die Vorrichtung umfaßt ferner ein Mittel zum Übertragen von Strahlung vom scannenden Abtaststrahl, einschließlich Hauptstrahlen des Abtaststrahls, die von einem Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners ausgehen, und ein Mittel zum Fokussieren der übertragenen Strahlung, so daß der scannende Abtaststrahl durch das Auge auf den Augenhintergrund fokussiert wird. Der Strahlscanner, das Mittel zum Übertragen und das Mittel zum Fokussieren der übertragenen Strahlung sind verbunden und können zusammen bewegt werden, so daß der Punkt der letzten Ablenkung im Wesentlichen in der hinteren Fokalebene des Fokussiermittels gelegen ist.
In einer besonderen Ausführungsform dieses Gesichtspunkts umfaßt das Fokussiermittel eine interne Fokussierlinse einer Augenhintergrundkamera und das Mittel zum Übertragen einen Strahlteiler, der angeordnet ist, um den scannenden Abtaststrahl so zu lenken, daß er auf die interne Fokussierlinse auftrifft.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine bildliche Darstellung einer OCT-Vorrichtung des Stands der Technik, die ein Spaltlampen-Biomikroskop verwendet;
2 zeigt eine bildliche Darstellung einer Augenhintergrundkamera;
3 zeigt eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Verbindung mit der in 2 gezeigten Augenhintergrundkamera;
4 zeigt eine bildliche Darstellung eines Abschnitts der Strahlteilervorrichtung, die bei der Herstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 zeigt eine bildliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Verbindung mit der in 2 gezeigten Augenhintergrundkamera;
6 zeigt eine bildliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der OCDR, die in der OCT verwendet wird;
7 zeigt eine bildliche Darstellung der Glasplatte 403 und verschiedener Ansichten des rückstrahlenden Prismas 404; und
8 zeigt eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die aus der Kombination der in 5 und in 6 gezeigten Vorrichtungen gebildet ist.
Bestandteile, die in den verschiedenen Figuren gleich sind, wurden zur Erleichterung des Verständnisses mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
2 zeigt eine bildliche Darstellung einer kennzeichnenden Augenhintergrundkamera 4000. Wie in 2 gezeigt erzeugt eine Okularlinse 100 ein Zwischenbild des Augenhintergrunds 1010 des Auges 1000 eines Patienten. Im Fall eines emetropischen Auges ist das Zwischenbild des Augenhintergrunds, das durch die Okularlinse 100 erzeugt wird, in der hinteren Fokalebene der Okularlinse 100 gelegen. Eine Weitergabelinse 110 ist eine Übertragungslinse, die ein weiteres Zwischenbild des Augenhintergrunds 1010 erzeugt. Schließlich wird das Zwischenbild des Augenhintergrunds, das durch die Weitergabelinse 110 erzeugt wurde, durch eine interne Fokussierlinse 120 und eine Röhrenlinse 130 auf ein CCD-Target 140 eines Videoanschlusses der Augenhintergrundkamera 4000 abgebildet. Die Beleuchtung des Augenhintergrunds 1010 wird durch eine Lichtquelle 150 bereitgestellt. Der Ausgangsstrahl 185 von der Lichtquelle 150 wird als Strahl 180 auf einen geometrischen Strahlteiler 170 fokussiert, der hinter der Okularlinse 100 an einem Bild der Augenpupille 1020 des Auges 1000 angeordnet ist. Wie Fachleuten wohlbekannt ist, ist ein geometrischer Strahlteiler ein Spiegel, mit einer Öffnung, um einen Teil eines Strahls zu reflektieren und um einen Teil eines Strahls zu übertragen, und, wie in 2 gezeigt reflektiert der geometrische Strahlteiler 170 den Beleuchtungsstrahl 180 und überträgt den Beobachtungsstrahl. Wie in 2 gezeigt wird der Ausgangsstrahl 185 von der Quelle 150 in einer solchen Weise auf den geometrischen Strahlteiler 170 fokussiert, daß die Okularlinse 100 die Reflexion des Strahls 180 in einer "exzentrischen" Gestaltung auf die Augenpupille 1020 des Auges 1000 fokussiert. Somit sind der Weg des Ausgangsstrahls 185 von der Quelle 150 und der Weg des Beobachtungsstrahls, der die CCD 140 erreicht, in der vorderen Augenkammer des Auges 1000 getrennt. Als Ergebnis wird fast kein Licht vom Ausgangsstrahl 185 zurück in den Beobachtungsweg der Augenhintergrundkamera 4000 gestreut.
Wie in 2 gezeigt und wie in einer kennzeichnenden Augenhintergrundkamera vorkommend sind die Okularlinse 100, die Weitergabelinse 110 und die Röhrenlinse 130 unverstellbar und ist die interne Fokussierlinse 120 beweglich. In der Praxis wird die Augenhintergrundkamera 4000 physisch in Position bewegt, so daß der Ausgangsstrahl 185 von der Lichtquelle 150 auf die Augenpupille 1020 fokussiert wird. Dann wird die interne Fokussierlinse 120 verwendet, um den Augenhintergrund 1010 auf die CCD 140 zu fokussieren. Wie in 2 gezeigt bildet der geometrische Strahlteiler 170 die Öffnungsblende des Beobachtungswegs und ist er an der Fokalebene der Weitergabelinse 110 gelegen, so daß die Öffnung bis ins Unendliche abgebildet wird (Telezentrizität). Schließlich bildet die interne Fokussierlinse 120 die Pupille 1020 in die Röhrenlinse 130 ab, und die Röhrenlinse 130 gewährleistet, daß sich die Vergrößerung des gesamten Systems nicht verändert, wenn die interne Fokussierlinse 120 bewegt wird, um das Bild des Augenhintergrunds 1010 auf die CCD 140 zu fokussieren.
Weitere Strahlteiler sind kennzeichnenderweise zwischen der Röhrenlinse 130 und der internen Fokussierlinse 120 angeordnet, um als ein zusätzlicher Beobachtungsanschluß verwendet zu werden.
3 zeigt eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Verbindung mit der in 2 gezeigten Rugenhintergrundkamera 4000. Da die Okularlinse 100 feststehend ist, ist es nötig, den Abtaststrahl 200 gesondert zu fokussieren. Wie in 3 gezeigt trifft der Abtaststrahl 200 auf einen Strahlscanner 210 auf. Der Strahlscanner 210 kann beispielsweise als galvanometrischer Strahlscanner wie jener, der in der im "Allgemeinen Stand der Technik" besprochenen Dissertation offenbart ist, hergestellt sein. Die schraffierten Linien in 3 zeigen die Weise, in der der Strahlscanner 210 den Abtaststrahl 200 bewegt, und die Weise, in der der Abtaststrahl 200 in die Augenpupille 1020 abgebildet wird. Die Hauptstrahlen des Abtaststrahls 200 an verschiedenen Abtastpositionen des Strahlscanners 210 beschreiben ein Strahlenbündel, das von der Mitte des Strahlscanners 210 ausgeht. Im Allgemeinen beschreiben die Hauptstrahlen ein Strahlenbündel, das von einem Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 ausgeht, da der Strahlscanner 210 mehrere Ablenker und/oder Spiegel umfassen kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist a) der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 im Wesentlichen in der hinteren Fokalebene einer Scannerlinse 215 gelegen, die an einer beweglichen Bühne 213 angebracht ist, und b) der Strahlscanner 210 starr mit der beweglichen Bühne der Scannerlinse 215 verbunden, um zu gewährleisten, daß der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 für im Wesentlichen alle Fokussierpositionen der Scannerlinse 215 im Wesentlichen in der hinteren Fokalebene der Scannerlinse 215 angeordnet ist. Als Ergebnis wird das Strahlenbündel durch die Scannerlinse 215 gebündelt. Dann trifft das gebündelte Licht auf einen Strahlteiler 220, und der Strahlteiler 220 lenkt es zur Okularlinse 100. Die Okularlinse 100 ist so angeordnet, daß das darauf auftreffende gebündelte Licht in die Augenpupille 1020 fokussiert wird. Schließlich wird der Abtaststrahl durch die Optik des Auges 1000 auf den Augenhintergrund 1010 fokussiert. Daher wird der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund des gebündelten Raums zwischen der Okularlinse 100 und der Scannerlinse 215 für alle Fokussierpositionen in die Augenpupille 1020 abgebildet . Wenn dies nicht der Fall wäre, würde es zu einem Vignettieren kommen, wodurch das Scannen des Abtaststrahls 200 durch die Augenpupille 1020 beschränkt würde. Wie man leicht verstehen wird, muß man, um die in 3 gezeigte Ausführungsform zu verwenden, die Augenhintergrundkamera 4000 physisch bewegen, um den Beleuchtungsstrahl 180 zu fokussieren, die interne Fokussierlinse 120 einstellen, um den Beobachtungsweg zu fokussieren, und die Scannerlinse 215 einstellen, um den Abtaststrahl zu fokussieren. Es ist zu beachten, daß der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 (der auf den fokalen Punkt der Okularlinse 100 in die Augenpupille 1020 abgebildet wird) nicht exakt in die gleiche Ebene wie das Zwischenbild der Beleuchtungsquelle 150 fokussiert wird, das eine endliche Entfernung von der Okularlinse 100 in der Ebene des geometrischen Strahlteilers 170 gelegen ist. Dies ist jedoch nicht entscheidend, da die Entfernung zwischen der Okularlinse 100 und dem geometrischen Strahlteiler 170 verglichen mit der fokalen Länge der Okularlinse 100 lang sein kann, so daß sich das Bild der Beleuchtungsquelle 150 auch fast in der gleichen Ebene wie der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 befindet. Natürlich werden Fachleute leicht verstehen, daß der Ausdruck "Punkt der letzten Ablenkung" nicht auf einen einzelnen Punkt beschränkt ist, sondern auch einen Bereich einschließt, in dem die Hauptstrahlen des Abtaststrahls schließlich in den Strahlscanner abgelenkt werden.
4 zeigt eine bildliche Darstellung eines Abschnitts der Strahlteilervorrichtung, die bei der Herstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Einbringung eines Strahlteilers 220 in die Augenhintergrundkamera 4000 verursacht eine Parallelverschiebung der optischen Achse der Augenhintergrundkamera 4000. In einer Augenhintergrundkamera ist die Beleuchtungsoptik so ausgeführt, daß der Scheitelpunkt der Okularlinse 100 nicht beleuchtet wird. Dies erfolgt, um Reflexionen von der Okularlinse 100 zurück in den Beobachtungsweg zu vermeiden. Mit der Verwendung des Strahlteilers 220 wird der Beleuchtungskegel verschoben und können Lichtstrahlen den Scheitelpunkt der Okularlinse 100 treffen und dadurch verursachen, daß falsches Licht in den Beobachtungsweg reflektiert wird. Wie in 4 gezeigt wird dies durch die Verwendung einer Ausgleichsplatte 230 vermieden. Die Dicke und der Kippwinkel der Ausgleichsplatte 230 werden gemäß Verfahren bestimmt, die Fachleuten wohlbekannt sind, um die durch den Strahlteiler 220 eingebrachte Verschiebung der optischen Achse auszugleichen. Die Ausgleichsplatte 230 beseitigt auch den Streukreis, der durch die gekippte Strahlteilerplatte 220 verursacht wird.
5 zeigt eine bildliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Verbindung mit der in 2 gezeigten Augenhintergrundkamera 4000. Wie in 5 gezeigt wird der OCT-Abtaststrahl 200 hinter der internen Fokussierlinse 120 in die Augenhintergrundkamera 4000 gekoppelt. Wie ebenfalls in 5 gezeigt trifft der Abtaststrahl 200 auf den Strahlscanner 210, der den Abtaststrahl 200 auf einen Strahlteiler 290 reflektiert. Der Strahlteiler 290 reflektiert den Abtaststrahl zur internen Fokussierlinse 120. An verschiedenen Scanpositionen des Strahlscanners 210 beschreiben die Hauptstrahlen des Abtaststrahls 200 ein Strahlenbündel, das von der Mitte des Strahlscanners 210 ausgeht. Im Allgemeinen beschreiben die Hauptstrahlen ein Strahlenbündel, das von einem Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 ausgeht, da der Strahlscanner 210 mehrere Ablenker und/oder Spiegel umfassen kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist a) der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 im Wesentlichen in der hinteren Fokalebene der internen Fokussierlinse 120 gelegen und sind b) eine Fassung 281 für den Strahlteiler 290 und eine Fassung 287 für den Strahlscanner 210 starr mit der internen Fokussierlinse 120 verbunden, so daß sie sich alle zusammen bewegen. Dies gewährleistet, daß der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 für im Wesentlichen alle Fokussierpositionen der internen Fokussierlinse 120 im Wesentlichen in der hinteren Fokalebene der internen Fokussierlinse 120 angeordnet ist. Als Ergebnis wird das Strahlenbündel durch die interne Fokussierlinse 120 gebündelt und durch die Weitergabelinse 110 in die Ebene des geometrischen Strahlteilers 170 fokussiert. Dann fokussiert die Okularlinse 100 das Strahlenbündel in die Augenpupille 1020. Somit wird der gebündelte Abtaststrahl 200 durch die interne Fokussierlinse 120 in eine Zwischenbildebene 111 fokussiert, die mit dem CCD-Target 140 korrespondiert. Die Weitergabelinse 110 bildet die Zwischenbildebene 111 in eine Zwischenbildebene 113 ab, die im Fall eines emetropischen Auges der hinteren Fokalebene der Okularlinse 100 gleich ist. Dann fokussieren die Okularlinse 100 und die Optik des Auges 1000 den Abtaststrahl auf den Augenhintergrund 1010. Da die Fassung 281 für den Strahlteiler 290 und die Fassung 287 für den Strahlscanner 210 starr mit der internen Fokussierlinse 120 verbunden sind, so daß sie sich alle zusammen bewegen, wird der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners 210 unabhängig von der Position der internen Fokussierlinse 120 immer in die Ebene des geometrischen Strahlteilers 170 abgebildet. Daher wird der scannende Abtaststrahl nicht durch die Öffnungsblende des geometrischen Strahlteilers 170 vignettiert. Die in 5 gezeigte und oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform ist vorteilhaft, da a) die Verwendung der Scannerlinse 215 von 3 vermieden wird, und b) der Abtaststrahl und der Beobachtungsweg zusammen fokussiert werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden gekreuzte Polarisatoren verwendet, einer im Beleuchtungsweg und der andere im Beobachtungsweg der Augenhintergrundkamera. Der Polarisator im Beleuchtungsweg erzeugt im Wesentlichen linear polarisiertes Licht, und der gekreuzte Polarisator im Beobachtungsweg beseitigt Licht vom Beleuchtungsweg, das durch die Hornhaut oder durch die Okularlinse 100 reflektiert wird. Der Augenhintergrund streut in erster Linie und erzeugt daher in erster Linie nichtpolarisiertes Licht. Als Ergebnis erhöht das Vorhandensein des gekreuzten Polarisators im Beobachtungsweg das vom Augenhintergrund reflektierte Signal verglichen mit dem Licht vom Beleuchtungsweg, das durch die Hornhaut oder durch die Okularlinse 100 reflektiert wird. Dieser Ge sichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist einer Vorgangsweise des Stands der Technik, wobei die Okularlinse 100 gekippt wird, um in den Beobachtungsweg eindringende Reflexionen davon zu verringern, überlegen. Die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus dem Umstand, daß das Kippen der Okularlinse 100 ein Vignettieren des Abtaststrahls erzeugt.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der in 5 veranschaulicht ist, wird die Reflexion von der Okularlinse 100 durch Anordnung einer physischen Blende 161 zwischen der Linse 160 und der Lichtquelle 150 im Strahl 185 beseitigt. Die physische Blende 161 wird auf die Okularlinse 100 abgebildet, um einen Beleuchtungshohlkegel zu erzeugen. Als Ergebnis wird die Okularlinse 100 in der Mitte nicht beleuchtet.
Noch ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wendet sich einem Problem zu, das durch den Umstand verursacht wird, daß das Sichtfeld des Sichtsystems der Augenhintergrundkamera 4000 beschränkt ist. Als Ergebnis davon muß das Auge eines Patienten gedreht werden, um einen Interessensbereich in die Mittel des Sichtfelds der Augenhintergrundkamera zu bewegen. Dies erfolgt gemäß dem Stand der Technik durch das Strahlen eines externen Fixierungslichts in das andere Auge des Patienten, d.h., das Auge, das nicht untersucht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein internes Fixierungsziel verwendet, um das Auge des Patienten zu führen, damit der neue Interessensbereich zentriert wird und durch den OCT-Abtaststrahl gescannt werden kann. Das interne Fixierungsziel wird durch Anordnung eines Objekts wie beispielsweise einer Nadel in das Zwischenbild des Augenhintergrunds entwickelt. Um dies zu tun, wird das Objekt beispielsweise im in 5 gezeigten Beleuchtungsweg zwischen der physischen Blende 161 und der Quelle 150 angeordnet. Dann sieht der Patient den Schatten des Objekts, ohne daß der Beobachtungsweg blockiert wird. In einer Alternative zur Verwendung eines Objekts wird eine sichtbare Lichtquelle wie beispielsweise eine sichtbare Leuchtdiode in der Bildebene eines Videoanschlusses der Augenhintergrundkamera angeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Lichtquelle in einer Fassung, die an einer mit dem CCD-Target 140 korrespondierenden Bildebene gelegen ist, an einer Platte fixiert, die händisch in die X- und Y-Richtung beweglich ist. In der Praxis ist die Lichtquelle zwischen der Röhrenlinse 130 und der internen Fokussierlinse 120 durch beispielsweise einen Strahlteiler in die Kamera gekoppelt.
Um eine erfolgreiche OCDR bereitzustellen, muß die Zeit für den Bilderhalt aufgrund ruckartiger Augenbewegungen sehr kurz sein. Die Geschwindigkeit des Bilderhalts der in der Technik beschriebenen Vorrichtung ist durch die Höchstgeschwindigkeit einer Übertragungsbühne eines Bezugsspiegels und durch die Amplitude der Verschiebung des Bezugsspiegels beschränkt. Gemäß der OCDR muß die Amplitude im Bereich der Dicke der Probe, beispielsweise der Retina, sein. In der Praxis ist es jedoch nötig, eine viel größere Amplitude zu wählen, um die Schwierigkeit des Fokussierens auf den Augenhintergrund mit der nötigen Genauigkeit zu überwinden. Die Übertragungsbühne wird in der Technik mit einer sägezahnartigen Spannung angetrieben. Für hohe Frequenzen wird das Ansprechen des mechanischen Systems jedoch mehr oder weniger sinusförmig, da Hochfrequenzbestandteile der Sägezahnfunktion nicht durch das gedämpfte mechanische System übertragen werden. Dies stellt einen schwerwiegenden Nachteil für die OCDR dar, da das Überlagerungssignal bandpaßgefiltert wird, um das 1/f-Rauschen des Feststellsystems zu beseitigen. Wenn die Doppler-Verschiebung durch die Bewegung des Bezugsspiegels in einer sinusförmigen Weise schwankt, nimmt der Betriebszyklus des Feststellsystems beträchtlich ab, da das Signal einen Bandpaßfilter nur in jener Phase der Spiegelschwingung durchläuft, in der das dopplerverschobene Signal in den Bandpaßfilter paßt.
6 zeigt eine bildliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der OCDR, die in der OCT verwendet wird. Wie in 6 gezeigt wird ein Strahl 500, der durch eine Quelle 401, beispielsweise eine superlumineszierende Diode, ausgestrahlt wird, durch einen Strahlteiler 402 in einen Bezugsstrahl 510 und einen Abtaststrahl 520 geteilt. Der Bezugsstrahl 510 verläuft (a) durch eine sich drehende Glasplatte 403, trifft (b) ein rückstrahlendes Prisma 404 und wird mit einer senkrechten Versetzung zurückgestrahlt, und verläuft (c) erneut durch die Glasplatte 403. Die Glasplatte 403 weist vier Facetten von gleicher Länge auf und bringt in einer Weise, die nachstehend beschrieben werden wird, eine periodische Schwankung in den optischen Weg ein. Der Abtaststrahl 520 wird am Spiegel 415 reflektiert und verläuft in einem Winkel von 45 Grad in bezug auf den Bezugsstrahl 510 durch die Glasplatte 403. Der Abtaststrahl trifft das rückstrahlende Prisma 406 und wird in einer tieferen Ebene durch die Glasplatte 403 zurückgestrahlt, so daß er unter dem Spiegel 415 verläuft und einen Spiegel 417 trifft. Die Glasplatte 403 bringt eine periodische Schwankung in den optischen Weg ein, die die gleiche Periode wie jene des Bezugsstrahls 510, doch mit einer Versetzung von 45 Grad aufweist. Der sich ergebende Weglängenunterschied zwischen dem Bezugsstrahl 510 und dem Abtaststrahl 520 ist linear. Da die Glasplatte 403 außerdem symmetrisch ist und der Winkel zwischen dem Bezugsstrahl 510 und dem Abtaststrahl 520 im Wesentlichen gleich 45 Grad ist, erhält man eine symmetrische sägezahnartige Wegschwankung und daher eine konstante Doppler-Frequenz. Die Doppler-Frequenz f = 2v/c, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und v die "Weglängenunterschiedsgeschwindigkeit" ist, die nachstehend beschrieben werden wird. Vorteilhafterweise sorgt gemäß der vorliegenden Erfindung der Umstand, daß die Glasplatte 403 ein symmetrisches vierfacettiges Vieleck ist, dafür, daß eine sägezahnartige Weglängenschwankung erreicht werden kann. Ferner sorgt gemäß der vorliegenden Erfindung der Umstand, daß der Winkel zwischen dem Bezugsstrahl 510 und dem Abtaststrahl 520 im Wesentlichen gleich 45 Grad ist, dafür, daß der Sägezahn symmetrisch ist.
Wie ferner in 6 gezeigt wird der Abtaststrahl 520 durch den Spiegel 417 in den Abtaststrahl 200 abgelenkt, der wie oben im Zusammenhang mit 3 und 5 beschrieben verwendet wird. Beispielsweise zeigt 8 eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die aus der Kombination der in 5 und 6 gezeigten Vorrichtungen gebildet ist. Wie Fachleute leicht verstehen werden, kann der Abtaststrahl in eine Glasfaser eingespeist werden. Die Reflexionen vom Augenhintergrund 1010 werden durch einen Strahlteiler 409 und einen Spiegel 410 zu einem Strahlteiler 411 abgelenkt. Der reflektierte Abtaststrahl wird dann mit dem Bezugsstrahl 510, der durch einen Spiegel 412 (der Spiegel 412 ist unter dem Strahl 500 gelegen, der von der Quelle 401 ausgeht) reflektiert wird, überlegt. Schließlich messen Detektoren 413 und 414 die periodi schen Interferenzsignale als eine Funktion der Zeit und mit Frequenzen, die der Doppler-Frequenz gleich sind, auf eine Weise, die in der herkömmlichen Technik beschrieben wurde. Der Phasenunterschied der beiden Signale ist 180 Grad, und der Unterschied wird in einer Weise ausgeglichen, die in der Technik wohlbekannt ist, so daß die beiden Signale addiert werden können, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
Obwohl die in 6 gezeigte und oben beschriebene Vorrichtung in einer OCT-Augenhintergrundabbildungsvorrichtung verwendet wird, liegt es im Geist der vorliegenden Erfindung, daß die Vorrichtung in einer Entfernungsmeßvorrichtung für ein Autofokussystem, die einen hohen Erfassungsbereich aufweist, einem Entfernungssensor zur Messung der Oberflächentopographie mit Mikronauflösung usw. verwendet werden kann.
7 zeigt eine bildliche Darstellung der Glasplatte 403 und verschiedener Ansichten des rückstrahlenden Prismas 404. Die Glasplatte 403 dreht sich, und der Drehwinkel Φ wird als Null definiert, wenn die Glasfläche Φ senkrecht zum eintreffenden Strahl 510 steht. Wie in 7 gezeigt wird der eintreffende Strahl 510 an der Glasfläche Φ mit einem Winkel Φ' gebrochen, der nach dem Snell'schen Gesetz
sin Φ' = Sin (Φ)/n
in einer Beziehung zum Drehwinkel Φ der Glasplatte 403 steht, wobei n der Brechungsindex der Glasplatte 403 ist.
Der Strahl 510 verläuft durch die Glasplatte 403 und wird an der Fläche II erneut gebrochen. Aus Symmetriegründen ist der ausgehende Strahl zum eintreffenden Strahl parallel. Der ausgehende Strahl trifft das rückstrahlende Prisma 404, das senkrecht zum ausgehenden Strahl angeordnet ist. Als Ergebnis wird der ausgehende Strahl in einer Ebene, die um einen Versatz s tiefer als die Ebene des eintreffenden Strahls liegt, zur Glasplatte 403 zurück reflektiert, wie in einer Seitenansicht des rückstrahlenden Prismas 404 in 7 gezeigt ist. Somit verläuft der Strahl erneut, aber tiefer durch die Glasplatte. Die Länge dieses optischen Wegs muß mit der optischen Weglänge, die der Strahl 510 erfährt, wenn er durch die Glasplatte 403 in einer nichtgekippten Stellung verläuft, verglichen werden.
Der Unterschied der optischen Wege der nichtgekippten und der gekippten Stellung der Glasplatte 403 ist eine Funktion des Drehwinkels Φ, die durch
W(Φ) = D (n – 1) – nD/cosΦ' + Dcos (Φ – Φ')/cosΦ'
gegeben ist, wobei D die Länge einer Seite der Glasplatte 403 und Φ' arcsin (sin (Φ)/n) ist.
Der Abtaststrahl 520 verläuft jedoch in einem 45-Grad-Winkel in bezug auf den Bezugsstrahl 510 durch die Glasplatte 403. Die Weglängenschwankung des Abtaststrahls 520 aufgrund der sich drehenden Glasplatte 403 ist die gleiche, wie im oben Angeführten für den Bezugsstrahl 510 dargelegt wurde, aber mit einer Versetzung von n/4. Die sich ergebende Weglängenschwankung für den Bezugsstrahl 510 und den Abtaststrahl 520 ist jedoch im Wesentlichen linear, und aufgrund der Symmetrie der Glasplatte 403 und des Umstands, daß der Winkel zwischen dem Bezugsstrahl 510 und dem Abtaststrahl 520 im Wesentlichen gleich 45 Grad ist, erhält man eine symmetrische sägezahnartige Wegschwankung. Die Weglängenunterschiedsgeschwindigkeit ist gleich dem Produkt des mit der Winkelgeschwindigkeit der Glasplatte 403 multiplizierten Verhältnisses der Veränderung von W (Φ) – W (Φ – n/4) mit Φ.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Strahlteiler 220 und 290 Kaltlichtstrahlteiler, die in der Technik dafür bekannt sind, daß sie Wellenlängen im Bereich des Abtaststrahls reflektieren und andere Wellenlängen übertragen. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnten die Strahlteiler 220 und 290 jedoch durch einen Minusfilter ersetzt werden, der in der Technik bekannt ist, und der nur Wellenlängen im Bereich des Abtaststrahls reflektiert und andere Wellenlängen überträgt.
Fachleute werden erkennen, daß die oben angeführte Beschreibung nur der Veranschaulichung und der Beschreibung wegen gegeben wurde. Sie soll als solche nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form beschränken. Beispielsweise sind angesichts der obigen Lehre Abwandlungen und Veränderungen möglich, die als innerhalb des Geists der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden. Somit versteht sich, daß die beiliegenden Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Veränderungen, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, abdecken sollen.

Claims

1. Vorrichtung zum Beleuchten des Hintergrunds eines Auges mit einem scannenden Abtaststrahl aus Strahlung, wobei die Vorrichtung Folgendes umfaßt: – einen Strahlscanner (210), der einem Abtaststrahl ausgesetzt wird, um einen scannenden Abtaststrahl zu erzeugen, – Mittel zum Übertragen (220; 290) von Strahlung vom scannenden Abtaststrahl einschließlich Hauptstrahlen des Abtaststrahls, die von einem Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners zum Auge ausgehen, – Mittel zum Fokussieren (215; 120) des scannenden Abtaststrahls auf einen Fleck an einer Position, die mit dem Hintergrund des Auges korrespondiert, – Mittel zum Abbilden (100; 100, 110) des Flecks auf den Hintergrund des Auges, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussiermittel (215; 120) und der Strahlscanner (210) in einer festen Beziehung auf einer beweglichen Bühne (213) angebracht sind und der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners (210) im wesentlichen in der hinteren Fokalebene des Fokussiermittels (215) gelegen ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Abbilden eine Okularlinse (100) einer Augenhintergrundkamera (4000) umfaßt.

Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Mittel zum Übertragen ferner einen Strahlteiler (220) umfaßt, der angeordnet ist, um den Ausgang vom Fokussiermittel (215) zur Okularlinse (100) zu lenken.

Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner eine Ausgleichsplatte (230) umfaßt, welche in der Augenhintergrundkamera (4000) angeordnet ist, um das Verschieben der optischen Achse der Augenhintergrundkamera (4000) durch den Strahlteiler (220) auszugleichen.

Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Übertragen (290) ebenfalls auf der Bühne fixiert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Mittel zum Fokussieren (110, 120) eine interne Fokussierlinse (120) einer Augenhintergrundkamera umfaßt.

Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Mittel zum Übertragen einen Strahlteiler (290) umfaßt, der angeordnet ist, um den scannenden Abtaststrahl so zu lenken, daß er auf die interne Fokussierlinse (120) auftrifft.

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 2 und 6, die ferner ein Lichtsperrmittel (170) umfaßt, das in einem Beleuchtungsweg der Augenhintergrundkamera (4000) angeordnet ist, um einen Hohlkegel aus Beleuchtungsstrahlung bereitzustellen, der auf die Okularlinse (100) der Augenhintergrundkamera (4000) auftrifft.

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 6, die ferner ein linear polarisierendes Mittel, das auf einem Beleuchtungsweg der Augenhintergrundkamera (4000) angeordnet ist, um Strahlung in einem Beleuchtungsstrahl (180) im wesentlichen linear zu polarisieren, und ein linear polarisierendes Mittel umfaßt, das in einem Beobachtungsweg der Augenhintergrundkamera (4000) angeordnet ist, wobei eine Richtung seiner linearen Polarisation im wesentlichen rechtwinklig zu einer Richtung der linearen Polarisation des im Beleuchtungsmittel angeordneten Mittels ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 6, die ferner ein Mittel zum Anordnen eines Fixierungsziels in einem Zwischenbild des Augenhintergrunds, das hinter der Okularlinse (100) in einem Beleuchtungsweg der Augenhintergrundkamera (4000) gebildet wird, umfaßt.

Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner ein Mittel zum Anordnen einer Quelle von sichtbarem Licht in einer Bildebene eines Videoanschlusses der Augenhintergrundkamera umfaßt, wobei die Quelle von sichtbarem Licht beweglich ist.

Verfahren zum Beleuchten des Hintergrunds eines Auges mit einem scannenden Abtaststrahl aus Strahlung, wobei der scannende Abtaststrahl von einem Strahlscanner ausgeht, der einem Abtaststrahl ausgesetzt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Übertragen von Strahlung vom scannenden Abtaststrahl einschließlich Hauptstrahlen des Abtaststrahls, die von einem Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners zum Auge ausgehen; und – Fokussieren der übertragenen Strahlung, so daß der scannende Abtaststrahl auf einen Fleck an einer Position, die mit dem Hintergrund des Auges korrespondiert, fokussiert wird, – Abbilden des Flecks auf dem Augenhintergrund, wobei der Schritt des Fokussierens das Fokussieren durch ein Fokussiermittel (215) umfaßt, das Fokussiermittel (215) und der Strahlscanner (210) in einer festen Beziehung auf einer beweglichen Bühne (213) angebracht sind und der Punkt der letzten Ablenkung des Strahlscanners (210) im wesentlichen in der hinteren Fokalebene des Fokussiermittels (215) gelegen ist.

Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Übertragens das Übertragen durch einen Strahlteiler (290) umfaßt, der ebenfalls auf der Bühne fixiert ist.