Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Halbleiter- laserdioden-basierten SS-lnterferometer-Systems (SS = swept source), wel ches eine breite Anwendung ermöglicht. Weiterhin soll das System für die Ver wendung in der Ophthalmologie, insbesondere zur Bildgebung und zur Bestim mung biometrischer Messwerte des Auges, geeignet sein.

Ein Interferometer ist ein technisches optisches Gerät, das die Interferenzen für Präzisionsmessungen nutzt. Gemessen werden alle Effekte, die die effektive Weglänge der Wellen und damit Eigenschaften der überlagerten Welle ändern.

Beispiele dafür sind Längenänderungen eines der beiden überlagerten Licht wege zur Längenmessung, Änderungen des Brechungsindex zur Messung von Materialeigenschaften oder minimale Änderungen des Abstandes zwischen den Testmassen in Gravitationswellendetektoren.

Dem entsprechend sind nach dem Stand der Technik zahlreiche Lösungen be kannt.

Eine spezielle interferometrische Anwendung stellt die optische Kohärenztomo graphie (OCT = optical coherence tomography), als ein bildgebendes Verfahren dar. Mittels OCT-Systemen ist es möglich 2- und 3-dimensionale Aufnahmen streuender Materialien in Mikrometerauflösung zu erhalten. Haupteinsatzgebiet der OCT ist die Medizin, insbesondere die Ophthalmologie.

Bei den OCT-Verfahren wird kohärentes Licht mit Hilfe eines Interferometers zur Entfernungsmessung und Bildgebung an reflexiven und streuenden Proben eingesetzt. Am menschlichen Auge liefern die OCT-Verfahren beim Scan in die Tiefe, aufgrund der an optischen Grenzflächen auftretenden Änderungen des Brechungsindexes und aufgrund von Volumenstreuung, messbare Signale. Bei der optischen Kohärenztomographie handelt es sich um ein sehr empfindliches und schnelles Verfahren.

Um dabei die Messwerterfassung noch effektiver zu gestalten, fanden in den letzten Jahren OCT-Systeme Verwendung, die auf der sogenannten„Swept Source“-Technik (SS-OCT) basieren. Hierbei wird die Frequenz der Lichtquelle durchgestimmt und dadurch die Tiefensignale erzeugt. Diese Technik erlaubt die Durchführung von Ganzaugenscans am menschlichen Auge. Dafür ist aller dings eine entsprechende Auswahl und Steuerung der Beleuchtungsquelle er forderlich.

Aktuelle SS-OCT -Systeme benutzen komplexe mikroelektromechanische Laserdi oden Systeme (MEMS), um spektrale Laserlinien mit einer hohen Kohärenzlänge (im Bereich von cm bis m) mit einer hohen Wiederholrate (im Bereich von kHz bis MHz) über einen breiten Wellenlängenbereich von bis zu 150nm durchzustimmen. Dies ist erforderlich, um über eine hohe Messtiefe sehr schnell hochaufgelöste Abbildungen insbesondere in transparentem organischem Gewebe, wie dem menschlichen Auge, mit einer hohen axialen Auflösung zu erhalten.

Die Kohärenzlänge ist in der Optik der maximale Weglängen- oder Laufzeitun terschied, den zwei Lichtstrahlen aus derselben Quelle haben dürfen, damit bei ihrer Überlagerung noch ein (räumlich und zeitlich) stabiles Interferenzmuster entsteht.

Die Detektion bei OCT-Systemen kann natürlich nicht rauschfrei erfolgen. Somit kann eine Reflexion in der Probe nur detektiert werden, wenn sie ein Signal lie fert, welches größer als der Rauschuntergrund im OCT-System ist.

Diese kleinste noch detektierbare Reflexion ist eine sehr wichtige Kenngröße von OCT-Systemen und wird als Sensitivität bezeichnet und üblicherweise in dB angegeben. Bei den Betrachtungen der Sensitivität ist weiterhin der sogenannte„Sensitivity Roll-Off'-Kriterium zu berücksichtigen, unter dem man die Abnahme der Amplitude des Interferenz-Signals mit zunehmendem Längen-Unterschied zwi ^¬ schen Referenz- und Probenarm versteht.

Für die hier beschriebenen OCT-Systeme wird eine Sensitivität (unter Berück ^¬ sichtigung des„Sensitivity Roll-Off'-Kriteriums) von -6 dB definiert.

Nach dem bekannten Stand der Technik gibt es aber auch schon Bestrebungen und Versuche zur Verwendung anderer Laserdioden, beispielsweise VCSEL (Ver- tical Cavity Surface Emitting Laser). Einen Überblick kann man dem Artikel„Ultra- Widely Tunable VCSELs” von Garrett D. Cole in [1 ] entnehmen.

Beispielhaft wird hierzu auf eine single-mode (auch mono-mode) VCSEL- Laserdiode von Philips verwiesen, deren technische Daten in [3] beschrieben wer den. Diese, über 2nm durchstimmbare VCSEL-Laserdiode kann thermoelektrisch in einem Temperaturbereich von 10 - 40°C bei dann leicht unterschiedlicher Mit tenwellenlänge betrieben werden.

Von Sucbei Moon und Eun Seo Choi werden in [4] low-cost OCT-Systeme be schrieben, die auf VCSEL-Laserdioden basieren, die durch einen Stromstoß bzw. einen Temperaturschock kurzzeitig bei einer Wellenlänge von ca. 1300nm durch stimmbar sind. Um bei der Vermessung des Auges Bewegungsartefakte auszu schließen, werden jedoch sehr hohe Sweep Rates (Wiederholrate) des Lasers im Bereich von 10-100kHz angegeben. Der offenbarte Entwurf für ein low-cost OCT System mit einer Wellenlänge von 1300nm ist jedoch für eine Ganzaugenmes sung aufgrund der Absorption im Glaskörper ungeeignet. Weiterhin müsste bei der verwendeten Wellenlänge von 1300nm ein Sweep Range (Durchstimm-Be- reich) von mindestens 25nm (besser 75nm) realisiert werden, um eine erforderli che Auflösung in Luft von 30pm (besser 10pm) zu ermöglichen. Ein derartiger Sweep Range wird nicht in Aussicht gestellt werden. Die hier genannten Parame terkombinationen sind deshalb wenig geeignet, ein optisches Biometer aufbauen zu können, welches die Anforderungen an ein wettbewerbsfähiges System erfüllt.

In der DE 10 2008 028 312 A1 wird die Verwendung eines VCSEL-Laserdiode zur Augenvermessung beschrieben. Dabei wird die Laserdiode spektral schmalban- dig bei einer Wellenlänge von ca. 850nm mit einer Kohärenzlänge von typisch 100mm und einer spektralen Breite ca. 0,007 nm betrieben und bietet damit eine ausreichende Scantiefe für die Vermessung der gesamten Augenlänge. Um bei einer maximalen spektralen Durchstimmung von 3nm bei 850nm Wellenlänge die erforderliche Messgenauigkeit erzielen zu können, ist jedoch von einer langsamen Durchstimmung dieser Laserdioden im Bereich <10Hz auszugehen. Damit ergibt sich hier die Notwendigkeit zur zusätzlichen Verwendung eines Positionserken nungssystems, welches bei langsam durchgestimmten Laserdioden erforderlich ist, um bewegte Objekte, wie das menschliche Auge, mit einer vergleichsweise langsamen Wiederholrate des durchgestimmten Lasers messen zu können.

In der WO 2018/1 19077 A1 wird ein miniaturisiertes, preiswertes OCT-System für ophthalmologische Anwendungen beschrieben. Insbesondere ist das Sys tem zur Messung der Dicke der Netzhaut vorgesehen, wobei das System auf grund seiner Kompaktheit und Handlichkeit geeignet ist, dass ein Patient die Messungen zu Hause selbst vornehmen kann. Die hier beschriebenen SS- OCT-System basieren auf VCSEL-Laserdioden, die durch periodische Variation des Stromes gesteuert werden. Ein Ganzaugenscan ist mit den beschriebenen Systemen aufgrund der verwendeten Parameter nicht möglich. Stattdessen werden Systeme beschrieben, bei denen die Optik ein optisches Abtastelement beinhaltet, um zu ermöglichen, dass die Lichtquelle zu verschiedenen Orten auf der Netzhaut bewegt wird.

Literatur: [1 ] Cole et. al. ;„Ultra-Widely Tunable VCSELs”,

http://www.aomicro.com/tech/Cole_TUM_27_Sep_2012.pdf

[2] Nanoplus;“DFB laser diodes from 760 nm to 830 nm”,

https://nanoplus.com/fileadmin/user_upload/Data_sheets/nano- plus_DFB_760-830nm.pdf

[3] Philips, 760/763 nm single-mode VCSEL

http://www.photonics.philips.com/pdf/ULM76X-SingleMode_T05.p df

[4] Moon et.al.;“VCSEL-based swept source for low-cost optical coherence tomography Biomedical Optics Express, Vol. 8, No. 2, Feb 1 , 2017, p. 1 1 10-1 121

[5] Flogan B.;“Operation of VCSELs Under Pulsed Conditions”, VIXAR Application Note, 21 . Januar 2010

[6] Bublitz et al,„SS-OCT-lnterferometry for measuring a sample;

US 8,632, 181 B2

[7] Choi W, et al,“Phase-sensitive swept-source optical coherence tomogra phy imaging of the human retina with a vertical cavity surface-emitting la ser light source”; Opt Lett. 2013;38(3):338-340

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Steu erung eines einfachen Halbleiterlaserdioden-basierten SS-lnterferometer- Systems zu entwickeln, welches für Bildgebung und biometrische Messungen am Auge geeignet ist. Dabei sind die Parameter zur Steuerung der Laserstrahl quelle dahingehend zu optimieren, dass ein breiter Wellenlängenbereich, bei ei ner hohen Kohärenzlänge und einer vergleichsweise hohen Wiederholrate, durch stimmbar sind. Die biometrischen Messungen des Auges sollen dabei insbeson dere mittels Ganzaugenscans erfolgen können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen An sprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegen stand der abhängigen Ansprüche.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren dadurch gelöst, dass mittels periodischer Strommodulation der Betrieb von einfachen Halbleiterlaserdi oden so gestaltet wird, dass eine hochkohärente spektrale Laserlinie mit einer möglichst hohen Wiederholrate und über einen breiten Wellenlängenbereich durchstimmbar ist. Dabei werden die Parameter: Mittenwellenlänge, Sweep Rate, Sweep Range, optische Leistung am Auge und Kohärenzlänge so angepasst, dass das Verfahren für Bildgebung und biometrische Anwendungen durch Ganz augenscans geeignet ist.

Eine erste Gruppe vorteilhafter Ausgestaltungen betreffen die Gestaltung bzw. Anpassung der verwendeten Halbleiterlaserdiode, wie beispielsweise die Art der Laserdiode und des verwendeten Oberflächenemitters, die Gestaltung deren akti ver Zone und die Optimierung der Abstrahlgeometrie.

Eine zweite Gruppe vorteilhafter Ausgestaltungen betreffen die Steuerung der Halbleiterlaserdioden, insbesondere die periodische Strommodulation und/oder die Einstellung und Stabilisierung eines definierten nm/K-Gradienten, wobei ein Peltier-Element zum Einsatz kommen kann.

Bei dem Verfahren zur Steuerung eines Halbleiterlaserdioden-basierten SS- Interferometer-Systems, bei dem mittels periodischer Strommodulation der Be trieb von Halbleiterlaserdiode erfindungsgemäß so gestaltet wird, dass eine hochkohärente spektrale Laserlinie mit einer möglichst hohen Wiederholrate und über einen breiten Wellenlängenbereich durchstimmbar ist, sind Insbeson dere dabei folgende Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge im Bereich von 600 - 1400nm,

- eine Sweep Rate im Bereich von 100Hz - 100kHz, - eine Sweep Range im Bereich von 3 - 75nm und

- eine optische Leistung am Auge im Bereich von 50 - 20000pW,

- bei einer Kohärenzlänge von mindestens 20mm.

Bezüglich der optischen Leistung des Halbleiterlaserdioden-basierten SS- Interferometer-Systems ist vorgesehen, bei gegebener Wellenlänge möglichst die maximal zulässige optische Leistung am Patientenauge bereitzustellen, um bei Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen ein maximales Signal/Rausch- Verhältnis realisieren zu können. Da ca. 50% der Leistung der Strahlquelle (Halbleiterlaserdiode) im optischen System des Interferometers als Verluste zu berücksichtigen sind, werden entsprechend höhere Leistungen der Halbleiterla serdiode eingeplant:

Die optische Leistung bezieht sich auf die beispielsweise in der Lasernorm DIN EN 60825-1 definierte Strahlungsleistung, die am menschlichen Auge appliziert werden darf. Diese ist abhängig von der Wellenlänge und der zeitlichen For mung des Laserstrahles. Der Einfachheit halber beziehen sich die hier aufge führten Laserleistungen auf cw-Betrieb der Diode und Laserklasse 1. Für ge pulste Strahlung und andere Laserklassen können andere Impulsspitzenwerte zur Anwendung kommen. Gegebenenfalls müssen auch länderspezifische Nor men berücksichtigt werden.

Das vorgeschlagene Halbleiterlaserdioden-basierte SS-lnterferometer-System ist insbesondere für biometrische Messungen des Auges vorgesehen. Da die Darstellungen bevorzugt auf optischen, kohärenztomographischen Scan-Auf nahmen basieren, liegt die Hauptanwendung in der ophthalmologischen Diag nostik, Therapie und der Vorbereitung chirurgischer Eingriffe und deren Nach untersuchung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher be schrieben. Hierbei werden die englischen und deutschen Begriffe synonym ver wendet. Dazu zeigt

Figur 1 : eine Prinzipdarstellung zur Steuerung eines erfindungsgemäßen

Halbleiterlaserdioden-basierten SS-lnterferometer-Systems mittels periodischer Strommodulation und

Figur 2: einige weitere optische Parameter der von der Halbleiterlaserdio de des SS-lnterferometer-Systems emittierten Strahlung.

Das Halbleiterlaserdioden-basiertes SS-lnterferometer-System besteht aus ei ner Halbleiterlaserdiode mit einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit ausge bildet ist, den Betrieb der Halbleiterlaserdiode mittels periodischer Strommodu lation so zu steuern, dass eine hochkohärente spektrale Laserlinie in einer mög lichst hohen Wiederholrate über einen breiten Wellenlängenbereich durch stimmbar ist.

Dazu ist die Steuereinheit ausgebildet zur periodischen Strommodulation Zeit und Amplitude der Stromstöße zu variieren.

Als Halbleiterlaserdioden kommen beispielsweise VCSEL-Laserdioden zum Einsatz, die auf einem GaAs-Wafer Oberflächenemitter oder einem single-mode AIGalnP-Wafer mit multi-quantum-well Struktur basieren können. Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen nur single-mode VCSEL- Laserdioden einzusetzen. Multi-mode VCSEL-Laserdioden sind nicht vorgese hen.

Single-mode VCSEL Laserdioden zeichnen sich durch eine sehr geringe instan- tane Linienbreite, eine hohe Kohärenzlänge und die für biometrische Messun gen erforderliche Messtiefe aus. Die single-mode VCSEL Laserdiode soll dabei eine Kohärenzlänge von mindestens 20mm, insbesondere aber 60 mm aufwei sen. Damit wird gewährleistet, dass auch sehr lange Augen, wie sie bei einer hohen Myopie Vorkommen, sicher vermessen werden können.

Somit eignet sich das System auch für Myopie-Reihenuntersuchungen, wie sie beispielsweise aktuell im asiatischen Raum durchgeführt werden, um eine Myo- pisierung der Bevölkerung einzudämmen.

Die single-mode VCSEL Laserdiode sollte mit einer spektralen Breite der Laser linie von typischerweise 100 MHz eingesetzt werden. Entsprechende Laser sind z.B. bei der Firma Trumpf verfügbar.

Zur Einstellung und Stabilisierung eines definierten nm/K-Gradienten kann die VCSEL-Laserdiode in ein aktives Halbleitermaterial eingebettet sein, wobei das aktive Halbleitermaterial entsprechend dimensioniert und an die angrenzenden Halbleitermaterialschichten angepasst wird. Um die erzeugte Wärmesenke zu optimieren, kann wärmeleitfähiges Material und/oder ein Peltier-Element Ver wendung finden.

Insbesondere kann das Design der VCSEL-Laserdiode so gestaltet sein, dass deren aktive Zone modifizierbar ist, um eine kontinuierliche optische Leistung am Auge von bis zu 20mW zu realisieren.

Erfindungsgemäß ist eine VCSEL-Laserdiode mit einer Wellenlänge im Bereich von 600 - 1400 nm, insbesondere von ca. 1050nm vorgesehen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine kürzere Wellenlänge einen geringeren Durchstimmbereich (engl.: Sweep Range) für eine gleiche Auflösung benötigt und insbesondere die Wiederholrate die größte technologische Herausforde rung bei dieser Technologie ist. Demnach sind kurze Wellenlängen im roten Spektralbereich mit beispielsweise 600nm und im IR-Bereich mit beispielsweise 700nm dafür am besten geeignet. Beispielsweise ist eine single-mode AIGalnP Laserdiode mit einer multi-quantum-well Struktur und einer Wellenlänge von 690nm geeignet. Weiterhin sind VCSEL-Laserdioden mit einer Wellenlänge von 840nm verfügbar und gut geeignet.

Für eine Kataraktdurchdringung bzw. höhere Eindringtiefe in das Gewebe sind allerdings VCSEL-Laserdioden mit Wellenlänge von ca. 1050nm besser geeig net und deshalb zu bevorzugen.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine VCSEL-Laserdiode mit einer Wiederholrate (engl.: Sweep Rate) von 100Hz - 100kHz, insbesondere 1 kHz vorgesehen. Dabei soll das erfindungsgemäße SS-lnterferometersystem insbesondere in Abgren zung zu [6] kein zusätzliches Bewegungssignal des Auges benötigen, um die Messergebnisse auswerten zu können.

Hier ist zu berücksichtigen, dass zum Ausgleich von Bewegungsartefakten eine Wiederholrate von 1 kHz ausreichend ist und bei einer möglichst geringen Wie derholrate ein umso höheres Signal-Rausch-Verhältnis (engl.: Signal Noise Ratio) bei gegebener limitierter Leistung der Laserdioden erzielt werden kann. Als opti maler Bereich für biometrische Augenvermessungen ist insbesondere eine We derholrate von 1 -3 kHz vorgesehen.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass eine Abhängigkeit der instantanen Linien breite, der Kohärenzlänge und der Meßtiefe von der Durchstimmgeschwindigkeit und der Wiederholrate des A-scans besteht. Erfindungsgemäß ist eine Optimierung dieser Abhängigkeit vorgesehen. Dabei steht eine ausreichende Meßtiefe von 60 mm für die Ganzaugen-Biometrie im Vordergrund.

Für die Durchstimmgeschwindigkeit/Wiederholrate des A-Scans wird mindestens eine Frequenz von 1 KFIz gewählt, um auf jeden Fall Bewegungsartefakte des Au ges ausschließen zu können. Eine Erhöhung auf bis zu 100 kFIz ist für eine Aus gestaltung des biometrischen Messsystems vorgesehen, wenn die Messtiefe von 60 mm dadurch nicht unterschritten wird.

Eine weitere technische Herausforderung bei der Auswahl und Steuerung einer geeigneten VCSEL-Laserdiode ist in dem vorhandenen Temperaturgradienten der Wellenlängenänderung zu sehen. Für eine Durchstimmbarkeit von 5nm würde man dementsprechend eine Temperaturänderung von 50K benötigen.

Zur Realisierung großer Durchstimmbereiche bei einer Wiederholrate von ca. 1 kHz müssen handelsübliche VCSEL-Laserdioden modifiziert werden oder sie sind gepulst zu betreiben. Dazu ist die vorhandene Steuereinheit ausgebildet, zur periodischen Strommodulation Zeit und Amplitude der Stromstöße zu variie ren.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die periodische Strommodulation (elektrisches Tuning) unabhängig von der Richtung der Wellenlängenänderung erfolgt, so dass sowohl up- als auch down-Sweep Verwendung finden.

Insbesondere ist vorgesehen, beim Durchstimmen der Wellenlänge mit Hilfe des Strompulses sowohl den up-sweep als auch den down-sweep der Wellen länge für die Anwendung bei der erfindungsgemäßen einfachen swept source VCSEL Biometrie einzusetzen. Dabei wird mit steigendem Strom eine längere Wellenlänge eingestellt. Somit ist beim down-sweep zu beachten, dass sich in diesem Stromstoßintervall die Wellenlänge verkürzen wird. Allgemein ist bekannt, dass ein Temperaturgradient von ca. 0,1 nm/K realisier bar ist. Damit wäre für einen Durchstimmbarkeit von 5nm eine Temperaturände rung von 50K erforderlich.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen diesen Gradienten auf > 0,1 nm / K, vorzugs weise auf ca. 0,3 bis 0,5nm / K zu vergrößern.

Das wird dadurch erreicht, dass ein passendes aktives Halbleitermaterial aus gewählt wird. Es ist aber auch möglich, die VCSEL-Laserdiode zusätzlich in ein aktives Halbleitermaterial einzubetten.

VCSEL-Laserdioden für Wellenlängen zwischen 600nm und 1400nm basieren beispielsweise als Oberflächenemitter auf GaAs-Wafern.

Weiterhin ist die Verwendung von single-mode AIGalnP-Laserdioden mit einer multi-quantum-well Struktur bei einer Wellenlänge von 690nm und einem gro ßen Temperaturgradienten von mindestens 0,25 nm/K vorgesehen.

Zur Optimierung der Wärmesenke zur Realisierung eines hohen Temperatur gradienten innerhalb der möglichen Betriebstemperatur der VCSEL-Laserdiode (z. B. -20 bis +70°C) ist beispielsweise die Ankopplung von hoch wärmeleitfähi gem Material wie Kupfer, Indium, o. ä. an das Halbleitermaterial vorgesehen.

Neben der erfindungsgemäß rein elektrisch verursachten Wellenlängendurch stimmung der single-mode VCSEL Laserdioden ist außerdem auch eine Kombi nation der rein elektrischen mit einer zusätzlichen thermischen Durchstimmung der Wellenlänge vorgesehen.

Dazu wird das elektrisch gesteuerte Modul synchronisiert mit der Wärmesenke betrieben, welche die Umgebungstemperatur der single-mode VCSEL Laserdi ode von prinzipiell - 80°C bis +180°C in einem gewissen Bereich von z.B. 100 K mit einer möglichst hohen Wiederholrate von > 100 Hz, insbesondere > 1 kHz durchstimmt. Damit kann der sweep ränge (Durchstimmbereich der Wellen länge in nm) erweitert und damit die Auflösung des Biometers gesteigert wer den.

Zusätzlich kann eine aktive Kühlung mit Hilfe eines Peltier-Elementes erfolgen.

Da eine zusätzliche Kühlung jedoch dazu führen kann, dass sich Kondenswas- ser am Austrittsfenster der VCSEL-Laserdiode niederschlägt, ist erfindungsge mäß vorgesehen, das Austrittsfensters der VCSEL-Laserdiode mit einer Hei zung zu versehen.

Wie bereits erwähnt sind für eine Kataraktdurchdringung bzw. höhere Eindring tiefe in das Gewebe VCSEL-Laserdioden mit Wellenlänge von ca. 1050nm bes ser geeignet.

Erfindungsgemäß ist dabei eine optische Leistung am Auge im Bereich von 200 pW bis maximal 2000pW, insbesondere größer 1000pW (bei einer Wellenlänge von 1050nm) vorgesehen.

Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine höhere optische Leistung nur im Rah men der Lasersicherheitsbestimmungen realisiert werden dürfen. Zur Errei chung höherer optischer Leistungen sind Veränderungen im Design der VCSEL-Laserdioden erforderlich. Hierzu ist es beispielsweise möglich die aktive Zone oder andere Parameter der VCSEL-Laserdioden zu variieren, um eine op tische Leistung von bis zu 2mW zu realisieren.

Erfindungsgemäß ist für den Aufbau eines VCSEL-basierten SS- Interferome ter-Systems vorgesehen, dass die Einkopplung der von der Halbleiterlaserdiode abgegebene Laserstrahlung in das Interferometer mittels Freistrahl- oder Faser optik erfolgt. Dazu ist es erforderlich, dass das Design der VCSEL-Laserdiode entsprechend gestaltet ist. In beiden Fällen ist die Strahlqualität bei gegebener Leistung ein wichtiges Kriterium, da diese die für die Ausführung der Messung nutzbare Laserleistung definiert.

Insbesondere bei einem Faser-basierten Design ist Wert darauf zu legen, dass eine möglichst verlustfreie Einkopplung erfolgt. Bei Monomode-Fasern mit ei nem Faserdurchmesser von 5pm kann eine nahezu verlustfreie Einkopplung mit Verlusten <10% bei einer Numerischen Apertur NA = 0,14 erreicht werden. Ge nerell ist eine Einkopplung in Monomodefasern mit einem Kerndurchmesser von 3 bis 9 pm vorgesehen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Erzeugung eines auf Wel lenlänge geregelten Strompulses. Durch Auswertung der Ströme von zwei Foto dioden mit unterschiedlichen spektralen Verhalten, kann auf einfache Weise mit analoger Elektronik ein Messsignal der Wellenlänge erzeugt und als Feedback- System genutzt werden.

Beispielhaft wird das im Folgenden für den Wellenlängenbereich um 1050nm beschrieben.

In diesem Wellenlängenbereich beträgt die Änderung der spektralen Empfind lichkeit bei InGaAs-Fotodioden nur etwa +0,1 A/W pro 100nm und bei Si-Fotodi- oden ca. -0,5A/W pro 100nm. Schwankungen der Leistung vom Laser wirken allerdings auf beide Fotodioden gleich aus. Deswegen bleibt nach geeigneter Normierung des Stromes der Si-Fotodiode mit dem Strom der InGaAs-Fotodi- ode nur eine Abhängigkeit des resultierenden Stroms von der Wellenlänge üb rige, die ca. 0,4A pro 100nm (4pA/nm) beträgt. Dieses Messsignal kann nun verwendet werden, um den Strompuls so zu formen, dass der gewünschte Ver lauf der Wellenlängenänderung erreicht wird.

Bevorzugt würde ein Verlauf der Wellenlänge über die Zeit erzeugt, der einer äquidistanten Änderung der Wellenzahl über der Zeit entspricht. Damit könnte die spektrale Information im Interferenzsignal (Frequenzraum) ohne weitere Entzerrung direkt durch Fouriertransformation zum Messergebnis im Ortsraum transformiert werden.

Eine geeignete Formung der Strompulse kann dadurch erfolgen, dass das wel lenlängenabhängige Signal digitalisiert und algorithmisch verarbeitet wird (Ver besserung z.B. durch Filterung und Mittelung). Dann wird der Strompuls iterativ verformt bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist.

Neben der geeigneten Formung der Strompulse bis zur Erreichung einer Linea rität bzw. äquidistanten Änderung der Wellenzahl über der Zeit ist erfindungsge mäß weiterhin vorgesehen, strukturierte Strompulse einzusetzen, bei denen mehrfach der Strom unterbrochen wird, also ein schnell getakteter Strom die Einhüllende eines Strompulses ausfüllt. Dieser getaktete Strompuls wird erfin dungsgemäß optimiert, bis seine Struktur in Abstand der Einzelpulse und Amplitude der Einzelpulse zu einer äquidistanten Änderung der Wellenzahl der single-mode VCSEL Laserdiode über der Zeit führt.

Eine weitere Möglichkeit wäre ein geschlossener analoger oder digitaler Regel kreis mit einem gewünschten Wellenlängenverlauf als Sollwert, dem wellenlän genabhängigen Signal als Messwert und dem Strompuls als Stellsignal.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, die Formung von Strompulsen mit kontinuierlicher Änderung des Stroms innerhalb eines Impulses so zu optimie ren, dass ein möglichst breiter sweep ränge (Durchstimmbereich der Wellen länge in nm) der single-mode VCSEL Laserdiode erzeugt wird. So sind Berei che > 3 nm bzw. insbesondere > 8nm bis hin zu 20 nm vorgesehen.

Neben der geeigneten Formung der Strompulse bis zur Erreichung eines mög lichst breiten sweep ränge (Durchstimmbereich der Wellenlänge in nm) ist erfin dungsgemäß weiterhin vorgesehen, strukturierte Strompulse einzusetzen, bei denen mehrfach der Strom unterbrochen wird, also ein schnell getakteter Strom die Einhüllende eines Strompulses ausfüllt. Dieser getaktete Strompuls wird er findungsgemäß optimiert, bis seine Struktur in Abstand der Einzelpulse und Amplitude der Einzelpulse zu einem maximalen sweep ränge bis hin zu ca. 20 nm (Durchstimmbereich der Wellenlänge in nm) der single-mode VCSEL Laser diode über der Zeit führt.

In einer letzten Ausgestaltung der Erfindung wird der kurze Strompuls in einem Bereich oberhalb des Schwellstromes Ith , mit einer Dauer der Stromanstiegs flanke von < 500ps, insbesondere < 50ps bis hin zu « 1 ps gewählt. Damit wird zusätzlich zum beschriebenen thermisch induzierten, spektralen Sweep Range, der z.B. 0,1 nm/K beträgt, eine nicht thermisch induzierte Erweiterung des spektralen Sweep Range (athermischer, spektraler Sweep Range) erreicht. Der erfindungsgemäß genutzte Effekt beruht auf der rein elektrisch induzierten Ver schiebung der elektronischen Niveaus/Bandlücke des Halbleiter-Lasermaterials aufgrund der kurzzeitig beaufschlagten hohen elektrischen Feldstärken. Dieser erweiterte Anteil des spektralen Sweep Range wird insbesondere durch die Art des Strompulses und dessen Anstiegsflanken erzeugt. Vorteilhaft bei dieser Be triebsart ist der geringe oder vernachlässigbare Aufwand bzgl. der thermischen Stabilität des SS-OCT-Systems. Kühlung und thermische Stabilisierung kann bei dieser Betriebsart minimiert oder vermieden werden.

Diese erfindungsgemäße Betriebsart ist eingestellt, wenn die Bedingung

DL > DT AAtherm gilt, wobei Dl - der spektralen Sweep Range,

AAtherm - der thermisch induzierten spektralen Sweep Range

(in nm/K) und

DT - der Temperaturänderung während des Stromimpulses

(in K) entsprechen. Messtechnisch kann diese Betriebsart z.B. mit einem integrierten Temperatur sensor für DT am Laserchip und einer Messung während des Strompulses in Kombination mit der Vermessung des erreichten spektralen Sweep Bereichs Dl bei bekanntem, stationär vermessenen spektralen Driftverhalten des Laserma terials AAtherm erfolgen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Steuerung eines Halbleiterlaserdio- den-basierten SS-lnterferometer-Systems wird der Betrieb der Halbleiterlaserdi oden mittels periodischer Strommodulation so gestaltet, dass eine hochkohä rente spektrale Laserlinie mit einer möglichst hohen Wiederholrate und über ei nen breiten Wellenlängenbereich durchstimmbar ist.

Erfindungsgemäßen sind dabei folgende Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge im Bereich von 600 - 1400nm,

- eine Sweep Rate im Bereich von 100Hz - 100kHz,

- eine Sweep Range im Bereich von 3 - 75nm und

- eine optische Leistung am Auge im Bereich von 50 - 20000pW,

- bei einer Kohärenzlänge von mindestens 20mm.

Hierzu zeigt die Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Steuerung eines erfin dungsgemäßen Halbleiterlaserdioden-basierten SS-lnterferometer-Systems mit tels periodischer Strommodulation.

Das Halbleiterlaserdioden-basierte SS-lnterferometer-System besteht aus einer Halbleiterlaserdiode 1 mit einer Steuereinheit 2, wobei die Steuereinheit 2 aus gebildet ist, den Betrieb der Halbleiterlaserdiode 1 mittels periodischer Strom modulation so zu steuern, dass eine hochkohärente spektrale Laserlinie in einer möglichst hohen Wiederholrate über einen breiten Wellenlängenbereich durch stimmbar ist.

Dazu ist die Steuereinheit 2 ausgebildet zur periodischen Strommodulation Zeit und Amplitude der Stromstöße zu variieren. Insbesondere ist die Steuereinheit 2 ausgebildet, kurze Anstiegszeiten der Strompulse zum elektrischen Pumpen der Halbleiterdiode 1 abzugeben.

Dabei ist die Halbleiterlaserdiode 1 insbesondere eine VCSEL-Laserdiode mit einer Variation der Wellenlänge der hochkohärenten spektralen Laserlinie in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebstemperatur. So ist für eine Halbleiterla serdiode auf der Basis von GaAs beispielsweise eine Variation AAtherm/AT von 0,07 nm/K und für eine Halbleiterlaserdiode auf der Basis von ALGalnP von 0,25 nm/K vorgesehen.

Zusätzlich ist anzumerken, dass erfindungsgemäß infolge der kurzen Anstiegs zeit der Stromstöße von der Steuereinheit 2 ein breiterer Durchstimmbereich der Wellenlänge Dl über den durch die thermische Variation bekannten Wert hinaus erreicht werden kann (Dl > DT AAtherm ).

Optional ist eine primär für den stabilen Langzeitbetrieb der SS-Laserquelle Temperaturstabilisierung bzw. ein Temperaturmanagement durch eine Wärme senke 3 welches aktiv als auch passiv arbeiten kann, vorgesehen. Wenn die Wärmekapazität der Halbleiterlaserdiode 1 und Ihre bereits vorhandene Wär mesenke für einen stabilen Betrieb ausreicht, kann auch auf diese zusätzlichen Merkmale der Wärmesenke 3 verzichtet werden.

Um diese Wärmesenke 3 zu optimieren, kann wärmeleitfähiges Material und/o der ein Peltier-Element Verwendung finden. Eine aktive Abkühlung des Laser chips der Halbleiterlaserdiode 1 ist synchron zur periodischen Strommodulation durch die Steuereinheit 2 nur in den Zeiten außerhalb der Stromanstiegsflanke (Rise Time) vorgesehen.

Neben der Funktion der Abkühlung des Laserchips infolge der Aufheizung durch den Strompuls der Steuereinheit 2 für einen thermisch stabilen Betrieb ist die Wärmesenke 3 optional auch für eine zusätzliche Heizung des Laserchips der Halbleiterlaserdiode 1 synchron zum Strompuls der Steuereinheit 2 nur in nerhalb der Stromanstiegsflanke vorgesehen. Dadurch ist es möglich die ther misch induzierte Wellenlängenverstimmung durch eine Erhöhung der Tempera turänderung DT nicht nur auf Basis der elektrisch induzierten Temperaturerhö hung, sondern zusätzlich noch auf Basis dieser optionalen direkten aktiven Temperaturerhöhung innerhalb der Zeit der Stromanstiegsflanke zu erhöhen.

Von der Halbleiterlaserdiode 1 wird vorzugsweise eine Ausgangsleistung im Be reich einiger mW mit den gewünschten Parametern eines SS-lnterferometer- Systems für OCT- und biometrische Anwendungen abgegeben, die Verluste im weiteren optischen System ausgleichen kann und ein gutes Signal-Rausch-Ver- hältnis unter Beachtung der maximalen ophthalmologisch einsetzbaren Intensi täten in der diagnostischen Anwendung erreicht. Ist die Ausgangsleistung der Halbleiterlaserdiode 1 zu gering wird optional ein Halbleiter basierter optischer Verstärker (engl.: Semiconductor Optical Amplifier, kurz: SOA) als SOA 4 in den optischen Strahlengang integriert.

In der Figur 2 sind einige weitere optische Parameter der von der Halbleiterla serdiode des SS-lnterferometer-Systems emittierten Strahlung dargestellt.

Das Diagramm 5 skizziert die Durchstimmung der einzelnen hochkohärenten Wellenlängen über einen Wellenlängenbereich Dl, den sogenannten Sweep Range mit einer Leistung P im mW-Bereich. Die spektrale Auflösung des Sweeps bestimmt die Kohärenzlänge Lc bzw. die Meßtiefe in Luft wie in der Grafik angegeben. Diese Funktionalität wird innerhalb einer Stromanstiegs flanke (Rise Time) der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserdiode 1 realisiert. In dieser Darstellung ist eine Verschiebung (Spectral Jitter) des Durchstimmberei ches Dl dargestellt, welche insbesondere durch eine Erwärmung der Halbleiter laserdiode 1 nach längerem Betrieb entstehen kann. Dieser Effekt kann durch ein Temperaturmanagement mittels der Wärmesenke 3 unterdrückt werden. Das Diagramm 6 skizziert mit einem Beispiel die zeitlichen Emissionsparameter mit einzelnen Laserpulsen, bei denen jeder Laserpuls von 300ps die spektrale Durchstimmcharakteristik der hochkohärenten Wellenlänge innerhalb Dl nach Diagramm 5 enthält. Hier werden diese Laserpulse mit einer Repetitionsrate von 1 kHz und damit einem Pulsabstand von 1 ms gezeigt. Dabei wird ein Duty Cycle von 30% realisiert. So hat der Laserchip beispielsweise nach einem akti ven Strompuls von 300ps wieder 700ps Zeit zur thermischen und/oder elektro magnetischen Relaxation für eine langzeitstabile Funktionalität.

Die Laserstrahlung der Halbleiterlaserdiode 1 mit den Eigenschaften nach den Diagrammen 5 und 6 wird innerhalb eines nicht detailliert dargestellten interfe- rometrischen Systems in das zu untersuchende Auge 7 eingekoppelt. Die aus dem Auge rückgestreute Lichtintensität wird mittels Strahlteiler 8 innerhalb ei nes Biometers 9 detektiert. Die Rohsignale des Biometers 9 werden mit Hilfe ei ner Post Processing Einheit 10 verarbeitet, um einen Tiefenscan über das ge samte Auge 7 (auch A-Scan genannt), insbesondere mit Informationen zur Lage und zu den Abständen der Kornea, der Linse und der Retina als Messer gebnis 11 auszugeben. In einem hier nicht skizzierten Vorgehen kann dieser A-Scan lateral über die Pupillenöffnung des Auges gescannt werden, um als so genannter B-Scan ein Schnittbild der genannten Abstände im Auge 7 zu erzeu gen.

Um die durch thermische Umgebungseinflüsse und Änderungen der Betriebs temperatur entstehende unerwünschte Drift des Durchstimmbereiches der Wel lenlänge (sweep ränge), also den sogenannten Spectral Jitter zu kompensieren, kann die single-mode VCSEL Laserdiode auf eine temperierte Wärmesenke im Temperaturbereich von prinzipiell -80° bis +180° C mit stabilisierter Temperatur bei einer Temperaturkonstanz von ca. +/- 1 K eingebaut werden. Dabei können außerdem bei niedrigen Temperaturen durch hohe Ströme auch hohe Aus gangsleistungen der Monomode VCSEL Laserdiode erzielt werden. Um die Wellenlängendrift in Abhängigkeit von der Temperatur ohne eine zu sätzliche Wärmesenke zu realisieren, ist erfindungsgemäß der Einsatz eines fa seroptischen Bragg-Gitters im Interferometer des kurzkohärenten biometrischen Messsystems vorgesehen, welches eine Wellenlängenreferenz vorgibt, mit der das Messsystem kontinuierlich rekalibriert werden kann.

Zur besseren spektralen Stabilisierung des Durchstimmbereichs kann ein (z. B. faserbasierter) Bragg-Reflektor/Gitter (FBG) verwendet werden. Dieser Reflek tor wird so im System eingebracht, dass während eines Durchstimmvorgangs ein Lichtreflex bei einer exakt definierten Wellenzahl entsteht. Dieser Lichtreflex kann mit dem Interferenzsignal gemeinsam aufgenommen werden. Er dient als Referenz zur genauen und absoluten spektralen Lokalisierung des spektralen Interferenzsignals.

Hierzu beschreibt W. Choi u. a. in [7] eine Lösung, bei der einer der Detektions arme zum Balanced Detektor über ein FBG führt. Das FBG führt im Detektions signal zu einem„Notch“, welches für die spektrale Referenzierung der Signale verwendet werden kann.

Eine erste Variante des Verfahrens betrifft die Bildgebung basierend auf einem SS-OCT-System. Auch hier soll eine hochkohärente spektrale Laserlinie mit ei ner möglichst hohen Wiederholrate und über einen breiten Wellenlängenbereich durchstimmbar sein.

Bei dieser Variante des vorgeschlagenen Verfahrens sind beispielhaft folgende Ausgestaltungen möglich.

Einer ersten Ausgestaltung entsprechend sind ein, mehrere oder alle folgenden bevorzugten Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge von 1050nm,

- eine Sweep Rate von 1 kHz,

- eine Sweep Range von 16nm und - eine optische Leistung am Auge von maximal 2mW, bei

- einer Kohärenzlänge von größer 60 mm.

Einer zweiten Ausgestaltung entsprechend sind ein, mehrere oder alle folgen den bevorzugten Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge von 840nm,

- eine Sweep Rate von mindestens 1 kHz,

- eine Sweep Range von 9nm und

- eine optische Leistung am Auge von maximal 0,8mW, bei

- einer Kohärenzlänge von größer 60 mm.

Einer dritten Ausgestaltung entsprechend sind ein, mehrere oder alle folgenden bevorzugten Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge von 600nm,

- eine Sweep Rate von mindestens 1 kHz,

- eine Sweep Range von 5nm und

- eine optische Leistung am Auge von maximal 0,4mW, bei

- einer Kohärenzlänge von größer 60 mm.

Für die Vermessung des vorderen Augenabschnittes bis zur Rückseite der Linse würde beispielsweise eine Messtiefe in Luft bzw. Kohärenzlänge Lc von ca. 25mm genügen.

Mit einer Messanordnung zur Bestimmung der biometrischen Werte werden im Wesentlichen aus sogenannten A-Scans oder B-Scans Messwerte wie Augen- läng AL, Linsendicke LD, Vorderkammertiefe VKT und die Hornhautdicke HHD, beispielsweise zum Zweck der IOL-Berechnung bestimmt. Hierfür ist eine axiale Auflösung von ca. 100pm in Luft ausreichend.

Beispielhaft wird dafür auf den lOLMaster 500 der Zeiss Meditec AG verwiesen, in dem eine Multimode-Laserdiode mit einer Halbwertsbreite von Dl « 2,7nm bei einer Mittenwellenlänge von 785nm eine Auflösung von 100pm in Luft reali siert.

Die axiale Auflösung Dz bei Gauss’scher spektraler Leistungsdichte ist definiert als: in der: Dl die Halbwertsbreite und

l die Mittenwellenlänge definieren.

Auch andere typische spektrale Leistungsdichten können durch die obige For mel gut approximiert werden. Bei einer Halbleiterlaserdioden mit 1050nm Mit tenwellenlänge ist ein Dl « 5nm nötig, um die Auflösung von 100pm in Luft zu realisieren.

Benutzt man eine Halbleiterlaserdioden bei 840nm zentraler Wellenlänge und 5nm elektrischen Durchstimmbereich erhält man einen noch besseren Wert von ca. 65pm Auflösung in Luft. Bei dieser Wellenlänge von 840nm erreicht man die für die Biometrie erforderliche axiale Auflösung von 100pm in Luft bereits bei ei nem Durchstimmbereich von ca. 3nm.

Dementsprechend ergeben sich daraus die folgenden Werte:

Erfindungsgemäß ist eine Halbwertsbreite (was dem Sweep Range der Halb leiterlaserdioden entspricht) im Bereich von 10 - 100nm, insbesondere von min destens 16nm bei 1050nm vorgesehen.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine VCSEL-Laserdiode mit einer Wiederholrate (engl.: Sweep Rate) von 100Hz - 100kHz, insbesondere > 1 kHz vorgesehen.

In diesem Zusammenhang wird noch einmal auf den bereits erwähnten Zusam menhang zwischen Bewegungsartefakten, Wiederholrate und Signal-Rausch-Ver- hältnis verweisen.

Die Sensitivität des SS-OCT-Systems skaliert mit der im Gewebe deponierten Energie (Anzahl der Photonen) und nicht mit der Peak-Leistung. Deshalb wird er findungsgemäß angestrebt, die Sweep Rate zum Ausschluss von Bewegungsar tefakten des Auges schnell genug, aber auch ausreichend lang zu wählen, um bei gegebener Leistung der Laserdiode eine ausreichend große Pulsenergie zur Ver fügung stellen zu können.

Erfindungsgemäß ist dabei eine optische Leistung im Bereich von 200 pW bis ma ximal 20000pW, insbesondere maximal 2000pW (bei einer Wellenlänge von 1050nm) vorgesehen.

Auch hier wird noch einmal auf die Einhaltung der bereits erwähnten Lasersi cherheitsbestimmungen verweisen. Es ist aber auch möglich, andere Parameter zu variieren. So kann beispiels weise die Linienbreite der VCSEL-Laserdiode verbreitert werden.

Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Kohärenzlänge Lc von mindestens 60mm vor gesehen, da die daraus resultierende Messtiefe zur Vermessung des gesamten menschlichen Auges nötig ist.

Es kann jedoch auch ein SS-OCT System mit geringer axialer Auflösung >30pm, insbesondere >50pm realisiert werden. Dies ist zum Beispiel von Inte resse für die tomografische und volumetrische Darstellung des gesamten Au ges (Vorderkammer bis zum Augenhintergrund). Ebenfalls kann der Verlust in axialer Auflösung durch„machine-learning“-Algorithmen kompensiert werden. Hierfür müssen zuerst Bilder mit Standardauflösung aufgenommen werden, und diese Bilder zum Training der Algorithmen verwendet werden. Die machine- learning basierenden Algorithmen lernen dann die Auflösung auch in den Bil dern mit niedriger axialer Auflösung zu verbessern.

Zur Erweiterung des Anwendungsbereiches der erfindungsgemäßen Technolo gie ist insbesondere eine verbesserte Auswertung der Ganzaugenscans als A- Scan und/oder als B-scan mit Hilfe von Algorithmen auf Basis des Machine Learning / Deep Learning / Artificial Intelligence vorgesehen. Dabei ist der Vor teil des erfindungsgemäßen Biometers die hohe Messtiefe, welche Ganzaugen scans mit einer hohen Repetitionsrate von z.B. 28 kHz A-Scanrate erlaubt. Nachteilig ist jedoch, dass die Auflösung auf Grund des geringen Sweep-Range von ca. 5 nm gering ist im Vergleich zu modernen hochauflösenden ss-OCT Systemen mit bis zu 100 nm Sweep-Range. Daher ist vorgesehen, mindestens eine Anzahl von ca. 20 Patientenaugen sowohl mit dem erfindungsgemäßen Bi ometer und gleichzeitig mit einem anderen kommerziell verfügbaren ultrahoch auflösenden OCT System ganz und/oder teilweise zu vermessen. Mittels Algo rithmen auf Basis des Machine Learning / Deep Learning / Artificial Intelligence sollen nun die bekannten hochaufgelösten Messungen mit den Messungen des erfindungsgemäßen Biometers verglichen und bewertet werden. Als Ergebnis sollen diese Algorithmen spätere Einzelmessungen des Biometers im A- und/o der B-Scan in Ihrer Auflösung und Genauigkeit verbessern.

Einer zweiten Variante des Verfahrens zur Steuerung eines Halbleiterlaserdio- den-basierten SS-lnterferometer-Systems, betrifft biometrische Anwendungen, insbesondere durch Ganzaugenscans.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Steuerung eines Halbleiterlaserdio- den-basierten SS-lnterferometer-Systems wird mittels periodischer Strommodu lation der Betrieb von Halbleiterlaserdioden so gestaltet, dass eine hochkohä rente spektrale Laserlinie mit einer möglichst hohen Wiederholrate und über ei nen breiten Wellenlängenbereich durchstimmbar ist. Erfindungsgemäß sind da bei für biometrische Anwendungen folgende Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge im Bereich von 600 - 1400nm,

- eine Sweep Rate im Bereich von 100Hz - 100kHz,

- eine Sweep Range im Bereich von 3 - 20nm und

- eine optische Leistung am Auge im Bereich von 50 - 20000pW,

- bei einer Kohärenzlänge von mindestens 20mm.

Einer bevorzugten Ausgestaltung entsprechend sind für Ganzaugenscans ein, mehrere oder alle folgenden bevorzugten Parameter vorgesehen:

- eine Mittenwellenlänge von 1050nm,

- eine Sweep Rate von 1 kHz,

- eine Sweep Range von 5nm und

- eine optische Leistung am Auge von maximal 2mW, bei

- einer Kohärenzlänge von größer 60mm.

Die Halbleiterlaserdioden werden mittels periodischer Strommodulation betrie ben, indem Dauer und Amplitude und Form (Anstiegsflanke) der Stromstöße variiert werden. Für eine maximale Wiederholrate ist es erforderlich, einen maximalen Tempera turgradienten durch einen Stromstoß innerhalb der aktiven VCSEL-Halbleiter- schicht zu erzielen. Um jedoch bei einer nahezu kontinuierlichen Betriebsweise eine hohe Wiederholrate bei gleichbleibenden Laserparametern erzielen zu können, ist eine gleiche mittlere Temperatur des aktiven Materials sicher zu stellen.

Das gelingt bei einer lediglich passiven Kühlung der VCSEL-Laserdioden erfin dungsgemäß durch:

- einen kurzen Strompuls in einem Bereich oberhalb des Schwellstromes Ith , wobei insbesondere die Dauer der Stromanstiegsflanke < 500ps bis hin zu « 50ns beträgt, und

- einem Tastverhältnis (engl.: duty cycle) welches ausreichend ist, um eine Abkühlung der aktiven VCSEL-Halbleiterschicht auf eine stabile Betriebs temperatur im Bereich von +/- 2 K erlaubt. Insbesondere ist dafür erfin dungsgemäß ein Tastverhältnis von < 50% bis zu 1 %, vorzugsweise 30% vorgesehen. So kann beispielsweise bei einem Strompuls von 100ns nach 10.000ns bzw. 10ps ein nächster Strompuls erfolgen und eine Wiederholrate von 100kHz eingestellt werden.

Einer vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend kann ein erfindungsgemäßes VCSEL-basiertes SS-lnterferometer-System durch folgende technische Para meter charakterisiert werden:

- einer Sweep Rate von 28 kHz,

- einem Duty Cycle von 30%,

- bei einer mittleren Laserwellenlänge von 840nm,

- einer Sweep Range von 5nm,

- einer Ausgangsleistung der VCSEL-Laserdiode von 2mW,

- was einer Leistung am Auge von 0,2mW und damit einer Messempfind lichkeit von 100dB entspricht. Insbesondere ist bei dieser Optimierung vorgesehen, dass eine höhere Peak- Leistung erreicht werden kann, wenn ein kürzerer Treiberstrompuls verwendet wird, so dass ein Tastverhältnis von <10% realisierbar ist. Allerdings wird dann auch die im Gewebe deponierte Energie (Anzahl von Photonen) um einen Fak tor >10 kleiner.

Erfindungsgemäß ist eine Halbwertsbreite (was dem Sweep Range der Halb leiterlaserdioden entspricht) im Bereich von 3 - 20nm, insbesondere von ca.

5nm bei 1050nm für biometrische Anwendung vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird weiterhin zur Erzielung einer stabilen stationären Be triebstemperatur des VCSEL-basierten SS-lnterferometer-Systems ein bezüg lich der Messempfindlichkeit und der thermischen Stabilität angepasstes Tastver hältnis im Bereich bis von 1 % bis 50%, insbesondere von 30% realisiert.

Da erfindungsgemäß eine minimale Wiederholrate von 1 kHz vorgesehen ist, wäre bei Strompulsen von 100ns Dauer auch ein Tastverhältnis von 0,01 % möglich, was eine 10000-mal längere Abkühlzeit gegenüber der Strompulszeit im aktiven Lasermaterial bedeutet. Um den Aufwand für die erforderliche Steue rung in Grenzen zu halten, ist ein Tastverhältnis von 0, 1 % realistisch. Dadurch lässt sich eine stabile, stationäre Betriebstemperatur des SS-OCT-Systems ein stellen. Im Rahmen der bereits oben beschriebenen Limitationen der für die Messung erforderlichen Pulsenergie ist ein Tastverhältnis von 10% angestrebt und bei einem Tastverhältnis von 30% eine erste praktische Lösung gefunden worden. Da selbst bei einem Tastverhältnis von 30% der spektrale Durchstimm bereich dauerhaft stabil bleibt und keine spektrale Drift erfolgt ist bei der erfin dungsgemäß gewählten Konfiguration für eine gute Wärmeableitung für das ak tive Volumen der Laserdiode gesorgt worden.

In oben genannter vorteilhaften Ausgestaltung konnte eine mittlere Leistung der Diodenemission von 2mW gesichert werden. Bei der Anwendung dieser durch stimmbaren VCSEL-Laserdiode kann vom VCSEL-basierten SS-lnterferometer- System eine Messleistung am Auge von 200pW bereitgestellt und eine biomet rische Vermessung des Auges mit einer Empfindlichkeit von 100dB erzielt wer den.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen den Stromstoß zum Pumpen der La serquelle zeitlich derart in seiner Verlaufsamplitude zu steuern, dass man inner halb des spektralen Durchstimmbereiches der Laseremission einen über die Zeit des Stromstoßes linearen Verlauf der emittierten Wellenlängen erhält. Dies ist vorteilhaft um Fehlerquellen in der Auswertung der Messsignale zu minimie ren.

Wie bereits erwähnt, skaliert die Sensitivität des VCSEL-basierten SS-lnterfero- meter-Systems mit der im Gewebe deponierten Energie (Anzahl der Photonen) und nicht mit der Peak-Leistung. Deshalb ist erfindungsgemäß eine vorteilhafte Optimierung vorgesehen, bei der die Laserdiode im Pulsbetrieb eine >10-fache Leistung erlaubt, was prinzipiell noch als praktisch machbar angesehen wird.

Letztendlich beschränkt die thermische Belastung die Ausgangsleistung der La serdiode. Deshalb ist ein optimaler Durchstimmbereich insbesondere bei niedri gen Betriebstemperaturen vorgesehen.

Dem entsprechend ist für den erfindungsgemäßen Betrieb des VCSEL-basier ten SS-lnterferometer-Systems vorgesehen, für die VCSEL-Laserdiode einen stabilen nm/K-Gradient zu definieren und einzustellen.

Wie bereits erwähnt, ist ein Temperaturgradient von ca. 0,1 nm/K realisierbar und damit für einen Durchstimmbereich von 5nm eine Temperaturänderung von 50K erforderlich. Erfindungsgemäß ist vorgesehen diesen Gradienten auf >0,1 nm / K, vorzugsweise auf ca. 0,3 bis 0,5nm / K einzustellen. Dies kann un ter anderem durch die zuvor genannten Maßnahmen erreicht werden. Erfindungsgemäß ist dabei eine optische Leistung im Bereich von 200 pW bis ma ximal 20000pW, insbesondere maximal 2000pW (bei einer Wellenlänge von 1050nm) vorgesehen.

Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen den Treiberstrom der Laserdiode in einem Bereich oberhalb des Schwellstromes Ith durchzustimmen, wobei der mi nimale und der maximale Stromwert dieses Bereiches eine Ausgangsleistung der Laserdiode für die Messung am Auge in der Korneaebene von mindestens 50pW ergibt.

Einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entsprechend sind für die periodi sche Strommodulation Taktschwankungen von < 1 ns, eine Wiederholbarkeit der Strompulse < 10ns und eine Amplitudenstabilität von < +1-5% einzustellen und zu gewährleisten.

Deshalb ist zur Optimierung der bereits angesprochenen Wiederholbarkeit des Durchstimmbereichs vorgesehen:

- eine sehr geringe Taktschwankung bei den Steuerpulsen im Bereich von <1 ns einzustellen,

- die Wiederholbarkeit der Steuerpulse in ihrer Abfolge < 10ns zu halten und

- in Ihrer Amplitudenstabilität im zeitlichen Verlauf < +/- 5% einzustellen.

Dadurch wird gewährleistet, dass der Wellenlängenbereich des Tunings gleich bleibt. Eine Änderung des Wellenlängenbereichs > 0, 1 nm würde sowohl die axi ale Auflösung, als auch die axiale Skalierung und damit die Genauigkeit der bio metrischen Messungen beeinflussen.

Weiterhin ist insbesondere bei einer mangelhaften Erfüllung der genannten er forderlichen Stabilitätsanforderungen an den spektralen Durchstimmbereich vorgesehen, die Variation der Trigger- und Treibersignale durch ein mechanisch stabiles Referenzsignal des Interferometers zu korrigieren. Die Korrektur kann zum Beispiel durch Korrelation und Registrierung der spektralen Interferenz muster des Referenzsignals erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung zum Aufbau eines einfachen durchstimmbaren Diodenlasers beruht auf der Tatsache, dass bei einer Temperaturänderung im aktiven Lasermaterial eine Wellenlängenänderung erzielbar ist. Dabei kann diese Temperaturänderung indirekt durch den elektrischen Strompuls oder/und durch eine zusätzliche Heizung bzw. Abkühlung erfolgen.

Zusätzlich zu diesem erfindungsgemäß gewünschten Effekt ist jedoch mit der Temperaturänderung des aktiven Materials der Laserdiode auch eine Änderung der Ausgangsleistung bei gegebenem Pumpstrom gegeben. Deshalb ist zu nächst erfindungsgemäß die Wahl eines Designs für die Laserdiode vorgese hen, bei dem die Änderung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Be triebstemperatur gering bzw. reproduzierbar ist. Weiterhin ist bezüglich dieser Abhängigkeit eine Optimierung der zuvor genannten Betriebsbedingungen vor gesehen.

Neben den bereits genannten technischen Herausforderungen sind jedoch noch weitere Abhängigkeiten zu berücksichtigen, die auf die Auswahl und Steu erung geeigneter VCSEL-Laserdioden Einfluss haben.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Messtechnik am bewegten Auge erfor dert schnelle Messzeiten, um Bewegungsartefakte im Messsignal ausschließen zu können. Die Messzeiten sollten für eine Einzelmessung ca. </= 1 ms betra gen. Demzufolge ist eine Kombination von Duty Cycle und Sweep Rate von bei spielsweise 10% und 100Hz zu wählen. Bei dieser zeitlichen Durchstimmrate ist dann ebenfalls die spektrale Durchstimmbreite im Bereich von 3-20nm erforder lich, um die erforderliche Auflösung sicher zu stellen. Das bekannte Verhalten der Laserdioden ist jedoch, dass man insbesondere bei langsamen Durch stimmraten eine hohe Durchstimmbreite erzielt und damit eine weitere Heraus forderung für die Realisierung des erfindungsgemäßen Messsystems. Für diese kombinierte Anforderung ist die Auswahl einer auf Grund des Designs der La serdioden optimalen Version vorgesehen.

Weiterhin ist für eine reproduzierbare Auswertbarkeit der Messsignale eine ab solut konstante spektrale Durchstimmbreite erforderlich. Andererseits ist auf Grund der im vorgesehenen Messbetrieb erforderlichen, wiederholten elektri schen/thermischen Durchstimmung der Laserdiode eine Temperaturdrift und damit eine Wellenlängendrift des Durchstimmbereichs die Folge.

Für diese Anforderung ist die Auswahl einer optimalen Version einer Laserdiode vorgesehen, die z.B. eine hohe Wärmeleitfähigkeit oder eine hohe Wärmekapa zität und damit eine geringe unerwünschte Temperaturdrift besitzt.

Ein großer Sweep Range bedingt die Einstellung einer hohen Temperatur einer VCSEL-Laserdiode. Bei hohen Temperaturen ist jedoch ein Abfall der optischen Leistung der Laserdiode vorhanden.

Weiterhin hängt das genannte dynamische thermische Verhalten der VCSEL- Laserdioden von der Betriebstemperatur an sich ab. So erhält man bei höherer Betriebstem peratur:

- eine höhere Laserschwelle und

- eine niedrigere maximale Leistung Pmax als auch einen niedrigeren maxi malen Strom I max

Folglich ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Betriebstemperatur </= der Raumtemperatur von ca. 20°C zu wählen, insbesondere < 10 °C bzw. die La serdiode auf ihre minimal erlaubte Betriebstemperatur abzukühlen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein SS-lnterferometer-System zur Ver fügung gestellt, welches auf einer VCSEL-Laserdiode basiert und für die Ver wendung in der Ophthalmologie, insbesondere zur Bestimmung biometrischer Messwerte des Auges, geeignet ist. Das vorliegende SS-OCT-System ist über einen breiten Wellenlängenbereich, bei einer hohen Kohärenzlänge und einer vergleichsweise hohen Wiederholrate, durchstimmbar und damit für biometrische Messungen des Auges insbesondere mittels Ganzaugenscans geeignet.

Die erfindungsgemäße Lösung zum Aufbau eines einfachen durchstimmbaren Diodenlasers beruht auf der Tatsache, dass bei einer Temperaturänderung im aktiven Lasermaterial eine Wellenlängenänderung erzielbar ist. Dabei kann diese Temperaturänderung indirekt durch den elektrischen Strompuls oder/und durch eine zusätzliche Heizung bzw. Abkühlung erfolgen.

Wie oben beschrieben, ist ein Temperaturgradient von ca. 0, 1 nm/K realisierbar und damit für einen Durchstimmbarkeit von 5nm eine Temperaturänderung von 50K erforderlich. Erfindungsgemäß ist vorgesehen diesen Gradienten auf >0, 1 nm/K, vorzugsweise auf ca. 0,3 bis 0,5nm/K einzustellen. Dies kann unter anderem durch die beschriebene Auswahl des aktiven Halbleiter-Lasermateri- als, der Auswahl geeigneter Betriebsparameter und dem thermischen Manage ment des Systems optimiert werden.