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DE 10 2016 103 605 A1 2017.09.07
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Offenlegungsschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2016 103 605.6 (22) Anmeldetag: 01.03.2016
(43) Offenlegungstag: 07.09.2017
(51) Int Cl.:
G01B 9/02 (2006.01)
(71) Anmelder:
Heidelberg Engineering GmbH, 69121 Heidelberg, DE
(74) Vertreter:
BOEHMERT & BOEHMERT Anwaltspartnerschaft mbB - Patentanwälte Rechtsanwälte, 28209 Bremen, DE
(72) Erfinder:
Martensen, Björn, 23562 Lübeck, DE; Fritz, Andreas, 19217 Utecht, DE
Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen.
(54) Bezeichnung: Verfahren für die Signalverarbeitung bei der optischen Kohärenztomografie mit einer durchstimmbaren Lichtquelle
(57) Zusammenfassung: Die Erfindung beschreibt ein Ver- fahren für die Signalverarbeitung bei der optischen Ko- härenztomografie mit einer durchstimmbaren Lichtquelle (swept source), das die Schritte aufweist:
– Durchstimmen der Lichtquelle und Erfassen einer Signal- intensität der Lichtquelle in linearer Abhängigkeit der jewei- ligen Wellenzahl (k) der durchstimmbaren Lichtquelle und Erzeugen einer Signalintensitätsversteilung in Abhängigkeit von k;
– Anwenden einer Fensterfunktion auf die erfasste Signalin- tensitätsverteilung und Erzeugen einer gewichteten Signal- intensitätsversteilung; und
– Anwenden einer Schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform, FFT) auf die gewichtete Signalintensi- tätsversteilung;
und dadurch gekennzeichnet ist, dass bei dem Durchstim- men der Lichtquelle das durchgestimmte Frequenzspektrum auf einen Durchlassbereich der Fensterfunktion beschränkt wird.
Beschreibung
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren für die Signalverarbeitung bei der optischen Kohä- renztomografie mit einer durchstimmbaren Lichtquel- le (swept source), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
– Durchstimmen der Lichtquelle und Erfassen einer Signalintensität der Lichtquelle in linearer Abhängigkeit der jeweiligen Wellenzahl (k) der durchstimmbaren Lichtquelle und Erzeugen einer Signalintensitätsversteilung in Abhängigkeit von k;– Anwenden einer Fensterfunktion auf die erfass- te Signalintensitätsversteilung und Erzeugen ei- ner gewichteten Signalintensitätsverteilung; und – Anwenden einer Schnellen Fourier-Transforma- tion (Fast Fourier Transform, FFT) auf die gewich- tete Signalintensitätsversteilung.
[0002] Die Fensterfunktion führt dazu, dass Teile des Signals nicht genutzt werden, da diese „wegge- fenstert”, d. h. herausgefiltert werden. Zur Erhöhung des nutzbaren Spektralbereichs und zur Verstärkung der Signalintensität ist es wünschenswert, den durch Anwendung der Fensterfunktion verlustigen Anteil zu minimieren.
[0003] Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen, bei dem Durchstimmen der Lichtquelle das durchge- stimmte Frequenzspektrum auf einen Durchlassbe- reich der Fensterfunktion zu beschränken.
[0004] Die angewandte Fensterfunktion kann ein Von-Hann-Fenster sein. Grundsätzlich wäre eine Lichtquelle, deren Spektralform dem Verlauf der Fensterfunktion entspricht, optimal. Um gleichzeitig eine bestmögliche Seitenwandunterdrückung zu er- halten, kann eine gaußförmige Lichtverteilung im k- Raum als ein geeigneter Kompromiss dienen. So kann die durchstimmbare Lichtquelle eine gaußför- mige Lichtintensitätsverteilung im k-Raum aufweisen.
Insbesondere kann die Spektralform der Lichtquelle im k-Raum der Form des Verlaufs der Fensterfunk- tion entsprechen oder dieser zumindest angenähert sein.
[0005] Ebenso können für eine Bestimmung der Spektralform der Lichtquelle im k-Raum der zeitli- che Verlauf der Signalintensität und der Sweep-Ge- schwindigkeitsverlauf gemessen werden. Der zeitli- che Verlauf der Signalintensität kann beispielsweise mit einer Photodiode aufgenommen werden.
[0006] Der Sweep-Geschwindigkeitsverlauf kann beispielsweise mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Inter- ferometers (MZI) bestimmt werden, indem zwei Fi- ber-Bragg-Gitter bekannter und sich unterscheiden- der Reflexionswellenlänge im Strahlpropagations- weg zwischen Interferometer und Detektor ange-
ordnet werden und eine Modulationsfrequenz der durchstimmbaren Lichtquelle, welche proportional zur Sweep-Geschwindigkeit ist, erfasst und über die Zeit aufgetragen wird, so dass der Modulationsfre- quenzverlauf zwei Einbrüche bei jeweils einer be- stimmten Wellenlänge bzw. Wellenzahl aufweist, und wobei aus dem gewonnenen MZI-Signalverlauf per Kurzzeit-Fourier-Transformation (Short Time Fourier Transform, STFT) der Sweep-Geschwindigkeitsver- lauf bestimmt werden kann.
[0007] Dabei kann die Einhüllende des Modulations- frequenzverlaufs ermittelt und deren Abweichung von einer Referenzform der Fensterfunktion, insbeson- dere von der Gaußform, erfasst werden. Weiterhin kann für eine Anpassung der Einhüllenden des Mo- dulationsfrequenzverlaufs an die Referenzform der Fensterfunktion der Strom eines Halbleiterlaserver- stärkers (SOA) der Lichtquelle moduliert oder der Sweep-Geschwindigkeitsverlauf variiert werden.
[0008] Die zur Bestimmung der Einhüllenden des Modulationsfrequenzverlaufs erfassten Daten kön- nen über eine Feedbackloop zur Feinabstimmung der Swept-Source, insbesondere einer VCSEL-Licht- quelle verwendet werden.
[0009] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:
[0010] Fig. 1 schematisch einen Aufbau für die Leistungsmessung und Bestimmung des Sweep-Ge- schwindigkeitsverlaufs einer durchstimmbaren Licht- quelle;
[0011] Fig. 2 eine erste Anordnung zur Erzeugung von Wellenlängenmarken für die Erfassung der Spek- tralform der durchstimmbaren Lichtquelle; und [0012] Fig. 3 eine weitere Anordnung für die Erzeu- gung von Wellenlängenmarken für die Bestimmung der Spektralform einer durchstimmbaren Lichtquelle.
[0013] Die Spektralform der durchstimmbaren Licht- quelle im k-Raum ist nicht unmittelbar messbar. Die in den Fig. 1–Fig. 3 schematisch wiedergegebenen Messanordnungen erlauben es jedoch, die Spektral- form im k-Raum mittelbar durch Auswertung erfass- barer Parameter zu bestimmen.
[0014] In einem ersten Schritt kann durch Ausset- zung des Signals einer Fotodiode 1 oder anderwei- tigen lichtsensitiven Messzellen die Einhüllende der Lichtintensität der durchstimmbaren Lichtquelle über die Zeit erfasst werden.
[0015] Die Messung des Sweep-Geschwindigkeits- verlaufs erfolgt mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Inte- ferometers (MZI) 3, indem die Modulationsfrequenz,
welche proportional zur Sweep-Geschwindigkeit ist, analysiert und über die Zeit aufgetragen wird. Zusätz- lich sind zwei Stellen im Sweep markiert, in dem zwei Fiber-Bragg-Gitter 5 bekannter und sich unterschei- dender Reflexionswellenlänge zwischen Interferome- ter 4 und Detektor 3 angeordnet sind. Durch diese werden Signaleinbrüche im MZI-Rohsignal erzeugt, die mit einer entsprechende Wellenlänge bzw. Wel- lenzahl korrespondieren.
[0016] Aus dem MZI-Signal kann mit Hilfe von STFT ein Geschwindigkeitsverlauf generiert werden. Aus den wie zuvor beschrieben gewonnenen Daten kann auf die Leistungsverteilung im k-Raum geschlossen werden. Dies erlaubt es, die Abweichung der Spek- tralform der durchstimmbaren Lichtquelle von der op- timalen Gaußform zu ermitteln.
[0017] Für die Optimierung der Spektralform der durchstimmbaren Lichtquelle kann nun beispielswei- se der Strom eines Halbleiterlaserverstärkers (SOA) der Lichtquelle moduliert oder der Sweep-Geschwin- digkeitsverlauf variiert werden. Beide Wege sind prin- zipiell gleichsam geeignet, allerdings wird eine mög- lichst konstante Geschwindigkeit des Sweeps als vor- teilhaft empfunden, um Detektorbandbreite sparen zu können, was wiederum der Messempfindlichkeit zu- gute kommt.
[0018] Die mit dem oben beschriebenen Verfahren gewonnenen Daten können per Feedbackloop auto- matischen Feinabstimmungen der VCSEL-Lichtquel- le, oder jeder anderen geeigneten Swept-Source, verwendet werden.
[0019] Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Patentansprüche
1. Verfahren für die Signalverarbeitung bei der op- tischen Kohärenztomografie mit einer durchstimmba- ren Lichtquelle (swept source), das die Schritte auf- weist:
– Durchstimmen der Lichtquelle und Erfassen einer Signalintensität der Lichtquelle in linearer Abhängig- keit der jeweiligen Wellenzahl (k) der durchstimmba- ren Lichtquelle und Erzeugen einer Signalintensitäts- verteilung in Abhängigkeit von k;
– Anwenden einer Fensterfunktion auf die erfasste Signalintensitätsversteilung und Erzeugen einer ge- wichteten Signalintensitätsversteilung; und
– Anwenden einer Schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform, FFT) auf die gewichtete Si- gnalintensitätsversteilung;
dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Durchstim- men der Lichtquelle das durchgestimmte Frequenz-
spektrum auf einen Durchlassbereich der Fenster- funktion beschränkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim An- wenden der Fensterfunktion ein Von-Hann-Fenster angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die durchstimmbare Lichtquelle eine gaußförmige Licht- intensitätsverteilung im k-Raum aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorangegangen An- sprüche, bei dem die Spektralform der Lichtquelle im k-Raum der Form des Verlaufs der Fensterfunktion entspricht oder zumindest angenähert ist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangen An- sprüche, bei dem für eine Bestimmung der Spek- tralform der Lichtquelle im k-Raum der zeitliche Ver- lauf der Signalintensität und der Sweep-Geschwin- digkeitsverlauf gemessen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der zeitli- che Verlauf der Signalintensität mit einer Photodiode aufgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Sweep-Geschwindigkeitsverlauf mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) bestimmt wird, indem zwei Fiber-Bragg-Gitter bekannter Reflexions- wellenlänge im Strahlpropagationsweg zwischen In- terferometer und Detektor angeordnet werden und ei- ne Modulationsfrequenz der durchstimmbaren Licht- quelle, welche proportional zur Sweep-Geschwindig- keit ist, erfasst und über die Zeit aufgetragen wird, so dass der Modulationsfrequenzverlauf zwei Ein- brüche bei einer bestimmten Wellenlänge bzw. Wel- lenzahl aufweist, und wobei aus dem gewonnenen MZI-Signalverlauf per Kurzzeit-Fourier-Transformati- on (Short Time Fourier Transform, STFT) der Sweep- Geschwindigkeitsverlauf bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Einhül- lende des Modulationsfrequenzverlaufs ermittelt und deren Abweichung von einer Referenzform der Fens- terfunktion, insbesondere von der Gaußform, erfasst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem für ei- ne Anpassung der Einhüllenden des Modulationsfre- quenzverlaufs an die Referenzform der Fensterfunk- tion der Strom eines Halbleiterlaserverstärkers (SOA) der Lichtquelle moduliert oder der Sweep-Geschwin- digkeitsverlauf variiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die zur Bestimmung der Einhüllenden des Modulationsfrequenzverlaufs erfassten Daten
über eine Feedbackloop zur Feinabstimmung einer VCSEL-Lichtquelle verwendet werden.
Es folgen 2 Seiten Zeichnungen
Anhängende Zeichnungen
