DE10347513B4

DE10347513B4 - Optische Kohärenztomographievorrichtung

Info

Publication number: DE10347513B4
Application number: DE10347513A
Authority: DE
Inventors: Chi-Kuang Sun
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: TW200426397A; JP2004361381A; TWI223719B; DE10347513A1; US20040239942A1

Abstract

Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung, enthaltend:
eine Lichtquelle, die Licht kurzer Wellenlänge aussendet, das durch Durchgang durch Phosphor zu einem ersten Strahl, der weißes Licht umfasst, mit einem breiten Wellenlängenspektrum umgewandelt wird;
ein Interferometer, das den ersten Strahl in einen zweiten Strahl und einen dritten Strahl spaltet; und
einen Reflexionsspiegel, der den zweiten Strahl reflektiert, um als ein Referenzstrahl zu wirken;
wobei der dritte Strahl von dem Objekt reflektiert wird, um einen vierten Strahl zu bilden, der mit dem Referenzstrahl in dem Interferometer interferometrisch vereinigt ist, um Interferenzstreifen zu erzeugen, die als ein optisches Signal angewendet werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Kohärenztomographievorrichtung und insbesondere eine optische Kohärenztomographievorrichtung mit einer Lichtquelle mit einem breiten Wellenlängenspektrum, die eine Submikrometerauflösung bereitstellt.

Beschreibung vom Stand der Technik

In einer herkömmlichen optischen Kohärenztomographie (OCT) Vorrichtung wird ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle ausgesendet und von einem Interferometer in zwei Strahlen gespalten. Ein Strahl wird durch zum Beispiel eine optische Faser bzw. Lichtleitfaser in Haut, Organe oder andere Messobjekte gerichtet und durch die selbe reflektiert, der andere abgespaltene Strahl wird von einem Spiegel reflektiert, um als ein Referenzstrahl zu wirken, und der von dem Messobjekt reflektierte Strahl wird mit dem Referenzstrahl interferometrisch vereinigt, um ein optisches Signal zu erhalten. Das optische Signal wird von einem Photodetektor empfangen und in ein elektronisches Signal umgewandelt, dann verarbeitet, um 2-dimensionale Videobilder auf einem Computerdisplay zu erzeugen.

US Patent Nr. 5,459,570 (Swanson et al., 1995) offenbart zur Ophthalmologie verwendete OCT, die durch die Lichtdurchlässigkeit des Auges ermöglich wird. Proto-Instrumenausrüstung für OCT, die zur Hautuntersuchung verwendet wird, wurde von Dr. Julia Welzel und dem Lasermedizinzentrum der Universität Lübeck 1998 erfolgreich entwickelt.

OCT stellt eine Art optischer Biopsie dar. Eine Untersuchung durch OCT kann eher als die einmalige Beschränkung einer Objektträgeruntersuchung wiederholt werden. OCT stellt eine höhere Auflösung (Querauflösung von 10 μm und Längsauflösung 10 μm) als die Ultraschalluntersuchungsauflösung von 50 μm bereit. Zur präziseren Untersuchung muss die OCT-Auflösung jedoch immer noch und vorzugsweise auf Submikrometermaßstab verbessert werden.

OCT basiert auf optischer Interferenz, folglich wird die Auflösung der OCT durch die Gleichung gegeben: lc = 0,44X(λ0 2/Δλ)wobei l_c die Kohärenzlänge (Auflösung) ist, λ₀ die optische Wellenlänge bzw. Lichtwellenlänge der Lichtquelle ist und Δλ die Spektralbreite der Lichtquelle ist.

Für breitere Bandbreiten sind eine höhere Durchdringung, optimale Energie und stabilere Strahlungsflussdichte bevorzugt. Ebenso sind bei Anwendung geringe Kosten, einfache Struktur, einfacher Betrieb und niedrige Spitzenenergieleistung bevorzugt. Unlängst wurden Lichtquellen mit verschiedenen Bandbreiten und Impulsstrahlungsquellen ultrakurzer Wellenlänge verwendet, um die OCT-Auflösung zu verbessern. Zum Beispiel kann eine Strahlung ultrabreiter Bandbreite durch modengekoppelte Festkörperlaser und insbesondere optische Fasern bzw. Lichtleitfasern erhalten werden, wobei eine maximale Auflösung davon 0,75 μm erreicht. OCT, die komplexe Laserquellen verwendet, um eine hohe Auflösung zu erhalten, ist in US Patent Nr. 6,538,817 offenbart. Diese Technik hat jedoch mühsame Systemparameter, höhere Kosten und eine Spitzenenergieleistung zur Folge, die das Untersuchungsobjekt während des Verfahrens beschädigt.

Eine Niedrigkohärenzlichtquelle, z. B. eine Lichtemitterdiode (LED), superluminizierende LD (SLD), superfluoreszierende Lichtquelle, werden aufgrund ihrer kompakten Struktur, geringen Kosten und keiner Schädigung des Untersuchungsobjekts bevorzugt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Kohärenztomographievorrichtung bereitzustellen, die Submikrometerauflösung ermöglicht.

Erfindungsgemäß sendet eine Blau- oder Ultraviolett-LED Licht durch geeigneten Phosphor aus, um einen niedrig-kohärenten Lichtstrahl mit einem breiten Wellenlängenspektrum zu erzeugen. Die Spektrumbreite der Lichtquelle kann Hunderte von Nanometern, sogar im Infrarotbereich, erreichen. Bei optischer Interferenz entspricht eine ultrakurze Kohärenzzeit einer ultrakurzen Kohärenzlänge, sodass die Längsauflösung Submikrometermaßstab erreichen kann.

Die optische Kohärenztomographievorrichtung der Erfindung enthält eine Lichtquelle, die Licht kurzer Wellenlänge aussendet, das durch Durchgang durch Phosphor zu einem ersten Strahl mit einem breiten Wellenlängenspektrum umgewandelt wird, ein Interferometer, das den ersten Strahl in einen zweiten Strahl und einen dritten Strahl spaltet, und einen Reflexionsspiegel, der den zweiten Strahl reflektiert, um als ein Referenzstrahl zu wirken. Der dritte Strahl wird von dem Objekt reflektiert, um einen vierten Strahl zu bilden, der mit dem Referenzstrahl in dem Interferometer interferometrisch vereinigt ist, was zu Interferenzstreifen führt, die als ein optisches Signal angewendet werden.

Die Lichtquelle in der Erfindung kann eine LED sein, die Blaulicht oder Ultraviolettstrahlen aussendet. Der erste Strahl kann zum Beispiel von einer GaN LED, die Blaulicht aussendet, durch YAG Phosphor oder von einer LED, die Ultraviolett aussendet, durch Phosphor erzeugt werden, was zu Rot-, Blau- und Grünlicht führt. Eine LED, die weißes Licht direkt aussendet, kann ebenfalls verwendet werden.

Die optische Kohärenztomographievorrichtung der Erfindung enthält weiterhin einen Detektor, der das optische Signal zu einem elektronischen, von einer Signalverarbeitungseinheit verarbeiteten Signal umwandelt.

Weil die Strahlungsquelle in der Erfindung ein breiteres Wellenlängenspektrum bereitstellt als herkömmliche Mittel, wird eine ultrakurze Kohärenzlänge derart gebildet, dass sehr hohe Auflösungen (Submikrometer) erreicht werden können.

Eine detaillierte Beschreibung wird in der folgenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann durch Lesen der anschließenden detaillierten Beschreibung und Beispiele unter Bezugnahmen leichter verstanden werden, die auf die begleitenden Zeichnungen gemacht werden, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen optischen Kohärenztomographievorrichtung ist;
2 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Michelson-Interferenzsystems ist;
3 ein Diagramm der Interferenzstärke einer herkömmlichen OCT gegen die Kohärenzlänge davon ist;
4 ein Wellenlängenspektrum der Lichtquelle der Erfindung ist; und
5 ein Diagramm der Interferenzstärke der Erfindung gegen die Kohärenzlänge davon ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Konzept eines herkömmlichen Michelson-Interferenzsystems wird in der Erfindung angepasst, wobei, wie in 2 gezeigt, 200 eine Lichtquelle ist, 400 ein Interferometer ist, 600 ein Reflexionsspiegel ist, 800 eine Probe ist und 1000 ein Detektor ist.
Wie in 1 gezeigt, sendet die Lichtquelle 2 Licht kurzer Wellenlänge aus, das, um als ein erster Strahl 50 zu wirken, durch Durchgang durch geeigneten Phosphor umgewandelt wird. Der erste Strahl 50 wird in einen zweiten Strahl 102 und einen dritten Strahl 202 durch ein Interferometer 4 gespalten. Der zweite Strahl 102 wird von einer Linse 16 fokussiert und von einem Reflexionsspiegel 6 reflektiert, um als ein Referenzstrahl 104 zu wirken. Der dritte Strahl 202 wird von einer Linse 18 fokussiert und von einem Messobjekt 8 reflektiert, um einen vierten Strahl 204 zu bilden. Der vierte Strahl 204 wird mit dem Referenzstrahl 104 in dem Interferometer 4 interferometrisch vereinigt. Ein Detektor 10 wandelt den als ein optisches Signal angewendeten Interferenzstreifen in ein elektronisches, von einer Verarbeitungseinheit 12 verarbeitetes Signal um, um auf dem Computer 14 anzuzeigende Videobilder des Messobjekts 8 zu erzeugen.
In dieser Ausführungsform wirkt eine kommerzielle Weiß-LED, die aus Blaulicht GaN LED und YAG Phosphor zusammengesetzt ist, als die Lichtquelle 2, die einen ersten Strahl 50 aussendet. Wie in 4 gezeigt, liegt das Wellenlängenspektrum der Lichtquelle 2 im Bereich von 400 nm bis 700 nm. Die Interferenzstärke gegen die Kohärenzlänge (Längsauflösung) der Erfindung ist in 5 gezeigt. Eine ultrahohe Auflösung von 500 nm (0,5 μm) in Atmosphäre und sogar höherer Auflösung von 385 nm in Wasser (Lichtbrechungsgrad ist 1,3) wird erhalten. Im Vergleich zu einer herkömmlichen OCT (Interferenzstärke gegen Kohärenzlänge davon ist in 5 gezeigt) stellt die vorliegende Erfindung gegenüber herkömmlicher Technologie eine beträchtliche Verbesserung dar.
Eine Weiß-LED kann ebenfalls eine Ultraviolett-LED und Phosphor umfassen, was zu Rot-, Blau- und Grünlicht führt.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die Lichtquelle in der Erfindung ein breiteres Wellenlängenspektrum als herkömmliche Mittel bereit, sodass eine ultrakurze Kohärenzlänge erhalten werden kann, die eine Auflösung vom Submikrometermaßstab für eine präzisere Untersuchung bereitstellt.
Während die Erfindung beispielhaft und in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben ist, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen (wie sie dem Fachmann klar sein werden) abzudecken. Dem Umfang der anhängenden Ansprüche soll deshalb die breiteste Interpretation zugestanden werden, um alle derartigen Modifikationen und ähnliche Anordnungen zu umfassen.

Claims

Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung, enthaltend: eine Lichtquelle, die Licht kurzer Wellenlänge aussendet, das durch Durchgang durch Phosphor zu einem ersten Strahl, der weißes Licht umfasst, mit einem breiten Wellenlängenspektrum umgewandelt wird; ein Interferometer, das den ersten Strahl in einen zweiten Strahl und einen dritten Strahl spaltet; und einen Reflexionsspiegel, der den zweiten Strahl reflektiert, um als ein Referenzstrahl zu wirken; wobei der dritte Strahl von dem Objekt reflektiert wird, um einen vierten Strahl zu bilden, der mit dem Referenzstrahl in dem Interferometer interferometrisch vereinigt ist, um Interferenzstreifen zu erzeugen, die als ein optisches Signal angewendet werden.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 1, bei der die Breite des Wellenlängenspektrums der Lichtquelle Hunderte Nanometer beträgt.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 1, bei der der erste Strahl eine nahe infrarote Wellenlänge verwirklicht.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 1, bei der die Lichtquelle eine Lichtemitterdiode ist.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 4, bei der das Wellenlängenspektrum der Lichtquelle 400 nm bis 700 nm ist.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 4, bei der der erste Strahl durch eine GaN Lichtemitterdiode und YAG Phosphor erzeugt wird.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 4, bei der der erste Strahl durch eine Ultraviolettlichtemitterdiode und Phosphor erzeugt wird, die zu Rot-, Blau- und Grünlicht führen.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 1, bei der die Lichtquelle eine Blau-LED ist.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 1, bei der die Lichtquelle eine Ultraviolett-LED ist.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 1, die weiterhin einen Detektor enthält, der das von dem Interferometer empfangene optische Signal in ein elektronisches Signal umwandelt.
Optische Kohärenztomographievorrichtung mit Submikrometerauflösung gemäß Anspruch 11, die weiterhin eine Signalverarbeitungseinheit enthält, die das von dem Detektor umgewandelte, elektronische Signal verarbeitet.