Feasibility of a thermally tuned laser diode as a light source for eye biometry

Abstract

Das Ersetzen der Linse des menschlichen Auges durch eine künstliche erfordert Kenntnisse über axiale Abstände im Auge, wie die axiale Augenlänge von der vorderen Hornhautoberfläche zur Netzhaut. Diese Messungen können mit einem optischen Interferometer und einem Laser durchgeführt werden, der in der Lage ist, seine Wellenlänge mit der Zeit zu ändern (englisch: tune), so genannte Swept Source Low Coherence Interferometrie (SS-LCI). Bisher verwendet diese Messtechnik sehr teure Laser. Wenn man dies durch eine Oberflächenemitter-Laserdiode (englisch: vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) ersetzt, die in der Lage ist, ihre Wellenlänge mit der Temperatur zu ändern, könnte dies den Preis dramatisch reduzieren. Um die Machbarkeit zu untersuchen, wurde dafür ein faserbasiertes optisches Interferometer mit einer Dual-Balanced-Konfiguration aufgebaut. Die erreichbare Tuning-Bandbreite und -Geschwindigkeit der VCSEL wurde mit einem Spektrometer untersucht. Für die Augenbiometrie wird mindestens eine Tuning-Bandbreite von 3nm benötigt. Die Geschwindigkeit des Aufheizens und Abkühlens wird durch den integrierten thermoelektrischen Kühler (TEC) bestimmt. Daher hängt die Sweep-Zeit mit der Tuning-Bandbreite zusammen. Eine längere Sweep-Zeit führt zu reduzierter Bandbreite und umgekehrt. Für die benötigten 3nm konnte eine Sweep-Zeit von 0,063s erreicht werden. Die optische Länge des menschlichen Auges kann Werte bis zu 5cm annehmen, was den minimalen Wert für die Kohärenzlänge der verwendeten Quelle festlegt. Kohärenzlängenmessungen wurden durchgeführt und es konnte gezeigt werden, dass der verwendete VCSEL die erforderlichen Anforderungen erfüllt. Die erhaltene minimale Sweep-Zeit führt zu einer hohen Aufweitung des gemessenen Signals, dem sogenannten Chirping. Dies kann durch eine erneute Linearisierung eines bekannten Peaks rekonstruiert werden. Mit der erhaltenen axialen Auflösung überlappen die beiden Lagen der Hornhaut und können nicht als Referenz verwendet werden. Um die Bewegung doch noch rekonstruieren zu können, wurde eine neue Methode mit der Fractional Fourier Transformation (FRFT) erfunden, theoretisch beschrieben und mit dem optischen System untersucht. Eine bewegliche Plattform mit einem Spiegel wird im Probenarm platziert und mit den gewünschten Geschwindigkeiten von 0,1 bis 2 mm/s angetrieben. Die Methode, die FRFT verwendet, ist nur in der Lage, den konstanten Teil der Bewegung zu rekonstruieren. Keine der getesteten beweglichen Plattformen war jedoch in der Lage, konstant genug zu fahren, um die Spitze perfekt zu rekonstruieren. Dennoch konnte eine Zunahme des Signals für die getesteten Sweep-Zeiten von 0,025 bis 0,063s erhalten werden. Um das Messprinzip mit der thermisch getunten VCSEL zu zeigen wurden Testmessungen mit verschiedenen Objekten durchgeführt. Da die langsamen Sweep-Zeiten zu erheblichen Bewegungsartefakten führen, wird die in-vivo Augenbiometrie mit thermisch getunten VCSELs nicht möglich sein.

The replacement of the humans lens with an artificial one requires knowledge about axial distances in the eye, such as the axial eye length from corneal front surface to the retina. Measuring these can be done with an optical interferometer and a laser which is able to tune its wavelength over time, so called swept source low coherence interferometry (SS-LCI). So far this measurement technique uses very expensive lasers. Replacing this with a vertical-surface edge-emitting laser diode (VCSEL), which is able to tune its wavelength with temperature, could reduce the price dramatically. In this thesis the feasibility of a thermally tuned VCSEL is investigated. Therefore a fiber based optical interferometer with a dual balanced configuration was setup up. The possible tuning range and speed via heating and cooling the VCSEL was investigated with a spectrometer. For eye-biometry at least a tuning range of 3nm is needed. The speed of heating and cooling is determined by the integrated thermoelectric cooler (TEC). Hence, the sweep time is related to the tuning range. A longer sweep time leads to reduced tuning range and vice versa. For the needed 3nm bandwidth an sweep time of 0.063s could be determined. The optical length of the human eye can take values up to 5cm, what gives the minimum value for the coherence length of the used source. Coherence length measurements were performed and it could be shown that the used VCSEL fulfills the needed requirements. The obtained minimum sweep time leads to high blurring of the measured signal, so called chirping. This can be reconstructed via relinearization of a well-known peak. With the obtained axial resolution the two corneal peaks which could be used for reconstruction overlap and therefore cannot be used for reconstruction. To still be able to reconstruct the motion a new method using Fractional Fourier Transformation (FRFT) was invented, described theoretically and investigated with the optical system. A moveable platform with a mirror is placed in the sample arm and driven with the interested velocities from 0.1 to 2mm/s. The method using FRFT is only able to reconstruct the constant part of the motion. However, none of the tested moving platforms were able to drive constantly enough to reconstruct the peak perfectly. Still, increase of the signal could be obtained for the tested sweep times from 0.025 to 0.063s. To proof the principle of length measurements with the thermally tuned VCSEL test measurements of different samples were performed and are presented. Since the slow sweep times lead to considerable motion artifacts in-vivo eye-biometry will not be able with thermally tuned VCSELs.