DE102013211854B4

DE102013211854B4 - Method and device for determining a spectral change of scattered light

Info

Publication number: DE102013211854B4
Application number: DE102013211854.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Reiß; Heinrich Stolz; Oliver Stachs; Rudolf Guthoff; Karsten Sperlich
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-06-22
Also published as: DE102013211854A1; WO2014202736A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer spektralen Änderung von gestreutem Licht (5) relativ zu einfallendem Licht (3) zur Bestimmung von rheologischen Eigenschaften, wobei die Vorrichtung (1) eine Lichtquelle (2), ein Filterelement (RZ) und eine Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums umfasst, wobei mittels der Lichtquelle (2) monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugbar und auf eine Probe (4) strahlbar ist, wobei mittels des Filterelements (RZ) von der Probe (4) gestreutes Licht (5) filterbar ist, wobei mittels der Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums gefiltertes Licht (7) erfassbar und das Spektrum des gefilterten Lichts (7) bestimmbar ist, wobei die spektrale Änderung in Abhängigkeit des Spektrums bestimmbar ist, wobei das Filterelement (RZ) als Bandsperrfilter ausgebildet ist, wobei eine Halbwertbreite des Bandsperrfilters kleiner als eine vorbestimmte maximale Breite gewählt wird, wobei die maximale Breite zumindest in Abhängigkeit der vorbestimmten Frequenz gewählt wird, wobei das Filterelement (RZ) ein transparentes Gehäuse (12) umfasst, wobei das Gehäuse (12) zumindest teilweise mit gasförmigem Rubidium (13) gefüllt ist, wobei die Vorrichtung (1) eine Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie umfasst, wobei die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie thermisch mit dem Gehäuse (12) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) in einem weiteren zylinderförmigen Außengehäuse (15) angeordnet ist, wobei an gegenüberliegenden Stirnseiten des Außengehäuses (15) jeweils Fensterflächen (19) angeordnet sind, wobei die Fensterflächen (19) transparent für das gestreute Licht (5) sind, wobei Verschlussklappen (21) drehbar an Stirnseiten des Außengehäuses (15) befestigt sind, wobei die Verschlussklappen (21) in einer geschlossenen Stellung die Fensterflächen (19) verdecken und in einer geöffneten Stellung die Fensterflächen (19) freigeben.Device for determining a spectral change of scattered light (5) relative to incident light (3) for determining rheological properties, the device (1) comprising a light source (2), a filter element (RZ) and a device for detecting a spectrum , wherein by means of the light source (2) monochromatic light with a predetermined frequency can be generated and irradiated to a sample (4), wherein by means of the filter element (RZ) of the sample (4) scattered light (5) is filterable, wherein by means of the device for detecting a spectrum filtered light (7) detectable and the spectrum of the filtered light (7) is determinable, wherein the spectral change in dependence of the spectrum can be determined, wherein the filter element (RZ) is designed as a band stop filter, wherein a half-width of the band rejection filter is smaller is selected as a predetermined maximum width, the maximum width at least depending on the predetermined Fre The filter element (RZ) comprises a transparent housing (12), wherein the housing (12) is at least partially filled with gaseous rubidium (13), wherein the device (1) comprises a device for generating thermal energy, wherein the device for generating thermal energy is thermally coupled to the housing (12), characterized in that the housing (12) is arranged in a further cylindrical outer housing (15), wherein at opposite end faces of the outer housing (15) respective window surfaces (19) wherein the window surfaces (19) are transparent to the scattered light (5), wherein closure flaps (21) are rotatably mounted on end sides of the outer housing (15), wherein the closure flaps (21) in a closed position, the window surfaces (19) cover and release the window areas (19) in an open position.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer spektralen Änderung von Licht, welches von einer Probe gestreut wird, relativ zu auf die Probe einfallendem Licht.The invention relates to a method and apparatus for determining a spectral change of light scattered by a sample relative to light incident on the sample.

Eine berührungslose Bestimmung von mechanischen Eigenschaften, insbesondere rheologischen Eigenschaften, einer Probe ist in vielen Anwendungen wünschenswert. So ist z. B. die nicht invasive Bestimmung von biomechanischen Eigenschaften von Gewebe und Körperflüssigkeiten eine Grundlage für diagnostische oder andere medizinische Fragestellungen. Insbesondere in der Augenheilkunde kann die nicht invasive Bestimmung von biomechanischen Eigenschaften des Auges bei der Feststellung von diversen Erkrankungen und Alterserscheinungen, wie beispielsweise einer Katarakt, der Presbyopie, post-LASIK Ektasien oder einem Keratokonus hilfreich sein.Non-contact determination of mechanical properties, in particular rheological properties, of a sample is desirable in many applications. So z. For example, the non-invasive determination of biomechanical properties of tissue and body fluids is a basis for diagnostic or other medical issues. Especially in ophthalmology, the non-invasive determination of biomechanical properties of the eye can be helpful in detecting various diseases and signs of aging, such as cataract, presbyopia, post-LASIK ectasia, or keratoconus.

Es ist bekannt, rheologische Eigenschaften von Gewebe im Allgemeinen und insbesondere von Kompartimenten des Auges, z. B. der Hornhaut, des Kammerwassers und der Linse, in Abhängigkeit des physikalischen Effekts der Brillouin-Streuung zu bestimmen. Die rheologischen Eigenschaften werden hierbei in Abhängigkeit einer Frequenzverschiebung zwischen dem einfallenden Licht und zumindest einem Teil des gestreuten Lichts bestimmt. Als technologische Herausforderung ergibt sich jedoch, dass parasitäre Streueffekte das eigentliche Nutzsignal der Brillouin-Streuung überlagern und unbrauchbar machen können. Somit sind aufwendige spektroskopische Verfahren notwendig, um die spektrale Änderung von dem gemäß der Brillouin-Streuung gestreuten Licht und dem einfallenden Licht zu bestimmen. Hierdurch wird jedoch in nachteiliger Weise eine Messgeschwindigkeit und ein Aufwand für die Anwendung, insbesondere in der klinischen Praxis, unakzeptabel hoch.It is known rheological properties of tissue in general, and in particular of compartments of the eye, z. As the cornea, the aqueous humor and the lens to determine depending on the physical effect of Brillouin scattering. The rheological properties are determined as a function of a frequency shift between the incident light and at least a portion of the scattered light. However, the technological challenge is that parasitic scattering effects can superimpose the actual useful signal of Brillouin scattering and make it unusable. Thus, complex spectroscopic methods are necessary to determine the spectral change of the light scattered according to the Brillouin scattering and the incident light. As a result, however, disadvantageously a measurement speed and an expense for the application, especially in clinical practice, unacceptably high.

Die Veröffentlichung W. Lee und W. R. Lempert, „Spectrally Filtered Raman/Thomson Scattering Using a Rubidium Vapor Filter”, AIAA J. 40, 2504–2510 (2002) offenbart eine Vorrichtung zur Filterung von gestreutem Licht mit einer Rubidiumgaszelle.Publication W. Lee and W.R. Lempert, "Spectrally Filtered Raman / Thomson Scattering Using a Rubidium Vapor Filter", AIAA J. 40, 2504-2510 (2002) discloses a device for filtering scattered light with a rubidium gas cell.

Die WO 2012/149 570 A1 offenbart Anordnungen und Verfahren zur Bestimmung von Gewebeinformationen. Auch diese Druckschrift offenbart die Verwendung von Gaszellen zur Filterung.The WO 2012/149 570 A1 discloses arrangements and methods for determining tissue information. This document also discloses the use of gas cells for filtering.

Die Veröffentlichung S. Reiß et al., Non-invasive, ortsaufgelöste Bestimmung von Gewebeeigenschaften der Augenlinse hinsichtlich Rheologie, Brechungsindex, Dichte und Proteinkonzentration unter Anwendung der Brillouin-Spektroskopie, Klin Monatsbl Augenheilkd 2011; 228: 1079–1085 und auch die Veröffentlichung S. Reiß et al., Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens, Biomedical Optics Express; 2: 2144–2159, 2011 beschreibt die sogenannte Brillouin-Spektroskopie und ein sogenanntes VIPA(Virtually Imaged Phased Array)-basiertes Spektrometer zur Bestimmung des Brillouin-Frequenzversatzes.The publication S. Reiß et al., Non-invasive, spatially resolved determination of tissue properties of the lens with respect to rheology, refractive index, density and protein concentration using Brillouin spectroscopy, Klin Monatsbl Augenheilkd 2011; 228: 1079-1085 and also the publication S.Race et al., Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens, Biomedical Optics Express; 2: 2144-2159, 2011 describes the so-called Brillouin spectroscopy and a so-called VIPA (Virtually Imaged Phased Array) based spectrometer for determining the Brillouin frequency offset.

Auch wird ein sogenannter Tandem-VIPA-Messaufbau beschrieben, der geeignet ist, rheologische Parameter des Auges zu bestimmen.Also described is a so-called tandem VIPA measurement setup, which is suitable for determining rheological parameters of the eye.

Zwar ermöglicht das gelehrte hochdispersive Vielstrahlinterferometer eine Messung und Bestimmung von biomechanischen Eigenschaften unter Verringerung der Messzeiten, jedoch sind der messtechnische Aufwand verhältnismäßig hoch sowie der hierzu notwendige Aufbau kompliziert. Insbesondere im Fall des Tandem-VIPA-Aufbaus kann eine Brillouin-Spektroskopie an relativ transparenten Gewebe durchgeführt werden, wobei jedoch im Fall von weniger transparenten oder nichttransparenten Gewebe eine Intensität eines elastischen Streusignals zu hoch ist und die Brillouin-Signale spektral überdeckt werden.Although the scholarly highly dispersive multibeam interferometer makes it possible to measure and determine biomechanical properties while reducing the measuring times, the metrological outlay is relatively high and the structure required for this purpose is complicated. Especially in the case of tandem VIPA construction, Brillouin spectroscopy can be performed on relatively transparent tissue, but in the case of less transparent or non-transparent tissue, an intensity of a stray elastic signal is too high and the Brillouin signals are spectrally masked.

Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur robusten und genauen Bestimmung einer spektralen Änderung von zumindest einem Anteil des gestreuten Lichts relativ zu einfallendem Licht zu schaffen, welche eine zeitlich schnelle Bestimmung der spektralen Änderung ermöglicht und einen einfachen Aufbau aufweist. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen insbesondere geeignet sein, die Bestimmung der spektralen Änderung von transparenten und auch eingetrübtem und nichttransparenten Gewebe im Allgemeinen und im speziellen von Kompartimenten des Auges, insbesondere der Hornhaut, des Kammerwassers, der Linse, des Glaskörpers und der Netzhaut, durchzuführen.The technical problem arises of providing a method and a device for the robust and accurate determination of a spectral change of at least a portion of the scattered light relative to incident light, which enables a temporally fast determination of the spectral change and has a simple structure. In particular, the device and the method should be able to carry out the determination of the spectral change of transparent and also clouded and non-transparent tissue in general and in particular of compartments of the eye, in particular the cornea, the aqueous humor, the lens, the vitreous body and the retina ,

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the technical problem results from the objects with the features of claims 1 and 5. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer spektralen Änderung von gestreutem Licht, insbesondere von zumindest einem Anteil des gestreuten Lichts, relativ zu einfallendem Licht. Die spektrale Änderung bezeichnet hierbei insbesondere eine aufgrund der Brillouin-Streuung auftretende Brillouin-Frequenzverschiebung im Spektrum des Lichts. Hierbei fällt Licht mit einer vorbestimmten Frequenz bzw. einer vorbestimmten Wellenlänge auf eine Probe und wird von dieser gestreut.A device is proposed for determining a spectral change of scattered light, in particular of at least a portion of the scattered light, relative to incident light. In this case, the spectral change refers in particular to a Brillouin frequency shift occurring in the spectrum of the light due to Brillouin scattering. Here, light with a predetermined frequency or a predetermined wavelength falls on a sample and is scattered by this.

Der Brillouin-Effekt beruht darauf, dass das eingestrahlte Licht an thermisch erregten Schallwellen gestreut wird, wodurch es eine Frequenzverschiebung erfährt, die gleich der Frequenz der streuenden Schallwelle ist. Da in jedem Medium und somit auch in der Probe thermisch induzierte und statistisch verteilte akustische Wellen präsent sind, tritt die vorhergehend erläuterte Streuung häufig oder sogar in jedem Fall auf. Das derart gestreute Licht wird als spontanes Brillouin-Streulicht bezeichnet. The Brillouin effect is based on the fact that the incident light is scattered by thermally excited sound waves, whereby it experiences a frequency shift equal to the frequency of the scattering sound wave. Since thermally induced and statistically distributed acoustic waves are present in each medium and therefore also in the sample, the previously explained scatter occurs frequently or even in every case. The light scattered in this way is called spontaneous Brillouin scattered light.

Die Brillouin-Frequenzverschiebung kann gemäß dv_B = ±(2nv_I/c)Vcos(sw/2) Formel 1 bestimmt werden, wobei dv_B die Brillouin-Frequenzverschiebung, v_I eine Frequenz des eingestrahlten Lichts, n einen Brechungsindex des Materials der Probe, c eine Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, V eine Schallgeschwindigkeit im Material und sw einen Streuwinkel bezeichnet.The Brillouin frequency shift may be according to dv _B = ± (2nv _I / c) Vcos (bw / 2) Formula 1 where dv _{B is} the Brillouin frequency shift, v _{I is} a frequency of the incident light, n is a refractive index of the material of the sample, c is a speed of light in vacuum, V is a speed of sound in the material, and sw is a scattering angle.

Aus der Brillouin-Frequenzverschiebung zur Frequenz v_I des eingestrahlten Lichts, die auch als elastisch gestreute Rayleigh-Frequenz bezeichnet werden kann, können rheologische Eigenschaften der Probe bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Volumenelastizität, die auch als Kompressionsmodul bezeichnet werden kann, in Abhängigkeit der Brillouin-Frequenzverschiebung bestimmt werden. Dies ist in der eingangs erwähnten Veröffentlichung S. Reiß et al., Non-invasive, ortsaufgelöste Bestimmung von Gewebeeigenschaften der Augenlinse hinsichtlich Rheologie, Brechungsindex, Dichte und Proteinkonzentration unter Anwendung der Brillouin-Spektroskopie, Klin Monatsbl Augenheilkd 2011; 228: 1079–1085 und S. Reiß, S. et al., Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens, Biomedical Optics Express; 2: 2144–2159, 2011, erwähnt.From the Brillouin frequency shift to the frequency v _{I of} the incident light, which can also be referred to as an elastically scattered Rayleigh frequency, rheological properties of the sample can be determined. For example, a volume elasticity, which can also be referred to as a compression modulus, can be determined as a function of the Brillouin frequency shift. This is in the aforementioned publication S. Reiß et al., Non-invasive, spatially resolved determination of tissue properties of the lens with respect to rheology, refractive index, density and protein concentration using Brillouin spectroscopy, Klin Monatsbl Augenheilkd 2011; 228: 1079-1085 and S. Reiß, S. et al., Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens, Biomedical Optics Express; 2: 2144-2159, 2011.

Der Kompressionsmodul gibt hierbei das Verhältnis von allseitiger Druckänderung zur Volumenänderung an und bietet somit die Möglichkeit, Gewebe, z. B. die Hornhaut oder Linse des Auges, in Bezug auf ihre rheologischen Eigenschaften zu bewerten. Dies kann hinsichtlich einer Bestimmung von Ursachen der Alterssichtigkeit von Vorteil sein, da sich im Laufe des Lebens ein Verlust der Elastizität der Augenlinse mit der Abnahme des Akkommodationserfolgs einhergeht. Weiterhin können alters-, krankheits- oder therapiebedingte Änderungen (z. B. Quervernetzungstherapie bei Keratokonus) der rheologischen Eigenschaften der Hornhaut des Auges bestimmt werden. Auch können ein Brechungsindex und eine Dichte der Probe in Abhängigkeit des Brillouin-Frequenzversatzes bestimmt werden. Auch eine relative Proteinkonzentration kann in Abhängigkeit des Brillouin-Frequenzversatzes bestimmt werden.The compression modulus here indicates the ratio of all-sided pressure change to the volume change and thus offers the possibility of tissue, z. As the cornea or lens of the eye to assess their rheological properties. This may be advantageous in terms of determining causes of presbyopia, since in the course of life a loss of the elasticity of the eye lens is accompanied by a decrease in the accommodation success. Furthermore, age, illness or therapy-related changes (eg cross-linking therapy in the case of keratoconus) of the rheological properties of the cornea of the eye can be determined. Also, a refractive index and a density of the sample can be determined depending on the Brillouin frequency offset. A relative protein concentration can also be determined as a function of the Brillouin frequency offset.

Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle. Die Lichtquelle kann insbesondere als Laserlichtquelle ausgebildet sein. Mittels der Lichtquelle kann monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden. Die vorbestimmte Frequenz kann, insbesondere in einem vorbestimmten Frequenzbereich, einstellbar sein. Somit kann die Frequenz des monochromatischen Lichts in dem vorbestimmten Frequenzbereich frei wählbar sein.The device comprises a light source. The light source can be designed in particular as a laser light source. By means of the light source monochromatic light can be generated at a predetermined frequency. The predetermined frequency may be adjustable, in particular in a predetermined frequency range. Thus, the frequency of the monochromatic light in the predetermined frequency range can be freely selectable.

Weiter umfasst die Vorrichtung ein Filterelement. Das Filterelement wird nachfolgend näher erläutert.Furthermore, the device comprises a filter element. The filter element will be explained in more detail below.

Weiter umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums. Die Einrichtung kann hierbei auch als sogenanntes Spektrometer bezeichnet werden.Furthermore, the device comprises a device for detecting a spectrum. The device can also be referred to as a so-called spectrometer.

Mittels der Lichtquelle ist monochromatisches Licht mit der vorbestimmten Frequenz erzeugbar und auf eine Probe strahlbar. Das monochromatische Licht kann hierbei direkt auf die Probe gestrahlt werden oder über zumindest ein Element zur Strahlführung oder -formung, beispielsweise einen Spiegel, auf die Probe gelenkt werden.By means of the light source monochromatic light of the predetermined frequency can be generated and radiated to a sample. The monochromatic light can in this case be irradiated directly onto the sample or be directed onto the sample via at least one element for guiding or shaping the beam, for example a mirror.

Mittels des Filterelements ist das von der Probe gestreute Licht filterbar. Hierzu kann das Filterelement derart relativ zu Probe angeordnet sein, dass zumindest ein Teil des gestreuten Lichts von dem Filterelement erfasst wird bzw. durch das Filterelement hindurchstrahlt. Selbstverständlich können zur Strahlführung oder -formung optische Elemente vorhanden sein, die derart zwischen Probe und Filterelement angeordnet sind, dass gestreutes Licht derart zum Filterelement geführt wird, dass es mittels des Filterelements gefiltert wird.By means of the filter element, the light scattered by the sample is filterable. For this purpose, the filter element may be arranged relative to the sample in such a way that at least part of the scattered light is detected by the filter element or radiates through the filter element. Of course, for beam guidance or shaping optical elements may be present, which are arranged between sample and filter element such that scattered light is guided to the filter element, that it is filtered by means of the filter element.

Weiter ist mittels der Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums gefiltertes Licht erfassbar und das Spektrum des gefilterten Lichts bestimmbar. Somit können Intensitäten als Funktion einer Wellenlänge bzw. einer Frequenz des gefilterten Lichts erfasst und dargestellt werden. Selbstverständlich können weitere optische Elemente zur Strahlführung und/oder -formung zwischen dem mindestens einen Filterelement und der Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums angeordnet sein.Furthermore, filtered light can be detected by means of the device for detecting a spectrum and the spectrum of the filtered light can be determined. Thus, intensities can be detected and displayed as a function of wavelength or frequency of the filtered light. Of course, further optical elements for beam guidance and / or shaping between the at least one filter element and the means for detecting a spectrum may be arranged.

Die spektrale Änderung des gestreuten Lichts ist in Abhängigkeit des Spektrums bestimmbar. Insbesondere kann in Abhängigkeit des Spektrums ein (lokales) Intensitätsmaximum und eine korrespondierende Frequenz, an welcher das lokale Intensitätsmaximum auftritt, bestimmt werden, welches in einen vorbestimmten Frequenzbereich um die Wellenlänge bzw. die Frequenz des monochromatischen Lichts herum auftritt. Selbstverständlich können auch mehrere lokale Intensitätsmaxima und die entsprechend korrespondierenden Frequenzen in diesem Frequenzbereich bestimmt werden.The spectral change of the scattered light can be determined as a function of the spectrum. In particular, depending on the spectrum, a (local) intensity maximum and a corresponding frequency at which the local intensity maximum occurs can be determined, which occurs in a predetermined frequency range around the wavelength or the frequency of the monochromatic light. Of course, several local intensity maxima and the be determined according to corresponding frequencies in this frequency range.

Durch den vorhergehend erläuterten Brillouin-Effekt wird eine erste Brillouin-Frequenzverschiebung mit einem ersten Betrag und einem positiven Vorzeichen sowie eine weitere Brillouin-Frequenzverschiebung mit dem ersten Betrag und einem negativen Vorzeichen erzeugt (siehe Formel 1). Somit treten also zwei lokale Maxima benachbart zur Wellenlänge bzw. Frequenz des monochromatischen Lichts auf, wobei eine Differenz zwischen der jeweiligen zum lokalen Intensitätsmaximum korrespondierenden Frequenz bzw. Wellenlänge und der Frequenz des monochromatischen Lichts der zu bestimmenden spektralen Änderung entspricht.By the Brillouin effect explained above, a first Brillouin frequency shift having a first magnitude and a positive sign and a further Brillouin frequency shift having the first magnitude and a negative sign are generated (see Formula 1). Thus, two local maxima occur adjacent to the wavelength or frequency of the monochromatic light, a difference between the respective frequency or wavelength corresponding to the local intensity maximum and the frequency of the monochromatic light corresponding to the spectral change to be determined.

Weiter ist das Filterelement als Bandsperrfilter ausgebildet, wobei eine Halbwertbreite des Bandsperrfilters kleiner als eine vorbestimmte maximale Breite gewählt wird, wobei die maximale Breite zumindest in Abhängigkeit der vorbestimmten Frequenz des monochromatischen Lichts gewählt wird. Insbesondere kann die Halbwertbreite abhängig von einer Brillouin-Frequenzverschiebung gewählt werden.Further, the filter element is formed as a band stop filter, wherein a half-width of the band rejection filter is selected to be smaller than a predetermined maximum width, wherein the maximum width is selected at least in dependence on the predetermined frequency of the monochromatic light. In particular, the half-width can be selected depending on a Brillouin frequency shift.

Insbesondere kann die Halbwertbreite des Bandsperrfilters kleiner als die oder gleich der Differenz zwischen der in Formel 1 beschriebenen positiven und negativen Brillouin-Frequenzverschiebung gewählt werden. Eine Mittenfrequenz des Bandsperrfilters kann insbesondere der vorbestimmten Frequenz des monochromatischen Lichts entsprechen.In particular, the half-width of the band-stop filter may be chosen to be less than or equal to the difference between the positive and negative Brillouin frequency shifts described in Formula 1. A center frequency of the band rejection filter may in particular correspond to the predetermined frequency of the monochromatic light.

Weiter kann die Halbwertbreite in Abhängigkeit des Brechungsindex n (siehe Formel 1), der Schallgeschwindigkeit V im Material (siehe Formel 1) und des Streuwinkels sw (siehe Formel 1) bestimmt werden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, für den Brechungsindex n und/oder die Schallgeschwindigkeit V und/oder den Streuwinkel sw vorbestimmte Werte zu verwenden.Furthermore, the half-width can be determined as a function of the refractive index n (see formula 1), the speed of sound V in the material (see formula 1) and the scattering angle sw (see formula 1). Of course, however, it is also possible to use predetermined values for the refractive index n and / or the sound velocity V and / or the scattering angle sw.

Somit ermöglicht das vorgeschlagene Filterelement in vorteilhafter Weise, dass ein Anteil des gestreuten Lichts mit der Rayleigh-Frequenz (Rayleigh-Anteil), also der vorbestimmten Frequenz des eingestrahlten monochromatischen Lichts, gedämpft, vorzugsweise möglichst vollständig unterdrückt, wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass eine Intensität des Rayleigh-Anteils die Intensitäten der Brillouin-Anteile, also der Anteile des gestreuten Lichts mit der um die Brillouin-Frequenzverschiebung verschobenen Frequenz, überdeckt. Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Bestimmung der lokalen Intensitätsmaxima, deren korrespondierende Frequenzen dann zur einfachen und zuverlässigen Bestimmung der gewünschten spektralen Änderung verwendet werden können.Thus, the proposed filter element advantageously allows a proportion of the scattered light to be attenuated, preferably as completely as possible, with the Rayleigh frequency (Rayleigh component), ie the predetermined frequency of the irradiated monochromatic light. In this way, it is advantageously avoided that an intensity of the Rayleigh component covers the intensities of the Brillouin components, that is to say the components of the scattered light with the frequency shifted by the Brillouin frequency shift. This in turn advantageously allows a simple and reliable determination of the local intensity maxima, the corresponding frequencies of which can then be used for the simple and reliable determination of the desired spectral change.

Die vorgeschlagene Vorrichtung kann insbesondere zur Abstimmung von rheologischen Eigenschaften zumindest eines Teilabschnitts eines menschlichen oder tierischen Auges eingesetzt werden. Sie ermöglicht die Bestimmung der spektralen Änderung, die als Grundlage zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften dient, in vorteilhafter Weise auch die Bestimmung dieser Eigenschaften an optisch leicht trüben Medien, dünnen Schichten und in der Nähe von Oberflächen wie z. B. einer Hornhaut des Auges.The proposed device can be used in particular for the coordination of rheological properties of at least one subsection of a human or animal eye. It allows the determination of the spectral change, which serves as a basis for determining the rheological properties, advantageously also the determination of these properties of optically slightly cloudy media, thin layers and in the vicinity of surfaces such. B. a cornea of the eye.

Somit kann die vorgeschlagene Vorrichtung als Teil eines diagnostischen Geräts verwendet werden, welches eine nicht invasive Bestimmung von gewebespezifischen, biomechanischen Eigenschaften von Gewebe erlaubt. Wie vorhergehend erläutert, kann dies insbesondere in der Augenheilkunde eingesetzt werden, um eine nicht invasive Bestimmung von Eigenschaften zu ermöglichen, die wiederum als Grundlage zur Diagnose von Erkrankungen der Hornhaut, der Linse und des Glaskörpers sowie deren ursächlichen Auslöser außerhalb der Augenheilkunde dienen können. Auch kann die Vorrichtung für ein sogenanntes Realtime-Monitoring von Behandlungen oder von Behandlungserfolgen, insbesondere in der Augenheilkunde, verwendet werden.Thus, the proposed device may be used as part of a diagnostic device that permits non-invasive determination of tissue-specific biomechanical properties of tissue. As previously explained, this can be used in particular in ophthalmology to allow a non-invasive determination of properties, which in turn can serve as a basis for the diagnosis of diseases of the cornea, the lens and the vitreous and their causative trigger outside of ophthalmology. The device can also be used for a so-called real-time monitoring of treatments or treatment success, in particular in ophthalmology.

Vorteilhaft weist die vorgeschlagene Vorrichtung einen einfachen Aufbau auf, der zudem eine zeitlich schnelle Bestimmung der spektralen Änderung ermöglicht.Advantageously, the proposed device has a simple structure, which also allows a timely determination of the spectral change.

Weiter umfasst das Filterelement ein transparentes Gehäuse, wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit gasförmigem Rubidium gefüllt ist. Transparent bedeutet hierbei, dass das Gehäuse durchlässig für das von der Lichtquelle ausgestrahlte monochromatische und von der Probe gestreute Licht ist. Durchlässig wiederum bedeutet, dass eine Intensität des durch das Filterelement gestrahlten Lichts nicht mehr als einen vorbestimmten Anteil, beispielsweise nicht mehr als 5%, reduziert wird. Das Gehäuse ist hierbei selbstverständlich gasdicht ausgebildet, so dass das gasförmige Rubidium nicht aus dem Gehäuse entweichen kann.Furthermore, the filter element comprises a transparent housing, wherein the housing is at least partially filled with gaseous rubidium. Transparent here means that the housing is permeable to the light emitted by the light source monochromatic and scattered by the sample light. Permeable, in turn, means that an intensity of the light emitted by the filter element is not reduced by more than a predetermined proportion, for example not more than 5%. The housing is in this case of course gas-tight, so that the gaseous rubidium can not escape from the housing.

Hierdurch wird in vorteilhafter Weise der physikalische Effekt genutzt, dass insbesondere gasförmiges Rubidium in einem vorbestimmten schmalen Frequenzbereich bzw. Wellenlängenbereich, der nachfolgend auch als Absorptionsbereich bezeichnet wird, eine hohe Absorptionsrate aufweist. Somit bildet das Rubidium den vorhergehend erläuterten Bandsperrfilter aus, wobei Licht mit einer Wellenlänge aus dem vorbestimmten Wellenlängenbereich absorbiert und somit der entsprechende Intensitätsanteil im gestreuten Licht reduziert wird. Insbesondere kann die vorbestimmte Frequenz des monochromatischen Lichts derart gewählt werden, dass sie, insbesondere mittig, in dem mindestens einen vorbestimmten Absorptionsbereich liegt.As a result, the physical effect is advantageously utilized that, in particular, gaseous rubidium has a high absorption rate in a predetermined narrow frequency range or wavelength range, which is also referred to below as the absorption range. Thus, the rubidium forms the above-mentioned band stop filter, whereby light having a wavelength from the predetermined wavelength range absorbs, and thus the corresponding one Intensity share is reduced in the scattered light. In particular, the predetermined frequency of the monochromatic light can be chosen such that it lies, in particular in the middle, in the at least one predetermined absorption region.

Selbstverständlich ist es möglich, andere Elemente als Rubidium oder andere Elementzusammensetzungen zu wählen, die einen schmalbandigen Absorptionsbereich aufweisen. Selbstverständlich kann in einem solchen Fall die vorbestimmte Frequenz des monochromatischen Lichts in Abhängigkeit der Lage der Absorptionsbereiche gewählt werden.Of course, it is possible to choose elements other than rubidium or other elemental compositions which have a narrow band absorption range. Of course, in such a case, the predetermined frequency of the monochromatic light can be selected depending on the position of the absorption regions.

Die Absorptionsbereiche sind hierbei in vorteilhafter Weise schmalbandig, insbesondere ist eine Halbwertbreite der entsprechenden Absorptionsbereiche kleiner als die oder gleich der vorhergehend erläuterte(n) Differenz zwischen der positiven und der negativen Brillouin-Frequenzverschiebung.The absorption ranges here are advantageously narrow-band, in particular a half-width of the corresponding absorption ranges is smaller than or equal to the previously explained difference between the positive and the negative Brillouin frequency shift.

Das Gehäuse kann insbesondere als Glaszelle ausgebildet sein, wobei die Glaszelle im Streustrahlengang angeordnet ist. Insbesondere kann die Glaszelle aus Pyrex-Glas, also einem Borsilikatglas, bestehen, welches in vorteilhafter Weise eine geringe thermische Ausdehnung aufweist. Beispielsweise kann die Glaszelle zylinderförmig ausgebildet sein, wobei die Glaszelle eine Länge von 100 mm und einen Durchmesser von 26 mm aufweist.The housing may in particular be designed as a glass cell, wherein the glass cell is arranged in the scattered beam path. In particular, the glass cell of Pyrex glass, so a borosilicate glass, consist, which advantageously has a low thermal expansion. For example, the glass cell may be cylindrical, wherein the glass cell has a length of 100 mm and a diameter of 26 mm.

Weiter umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie, wobei die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie thermisch mit dem Gehäuse gekoppelt ist. Hierdurch kann thermische Energie zum Gehäuse und insbesondere zum im Gehäuse angeordneten Rubidium übertragen werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine Temperatur des Filterelements einzustellen.Furthermore, the device comprises a device for generating thermal energy, wherein the device for generating thermal energy is thermally coupled to the housing. As a result, thermal energy can be transmitted to the housing and in particular to rubidium arranged in the housing. This advantageously makes it possible to set a temperature of the filter element.

Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Filtercharakteristik des Filterelements verbessert werden, da sich ein Absorptionsgrad des Rubidiums mit steigender Temperatur erhöht bzw. sich ein Transmissiongrad verringert. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Unterdrückung des Rayleigh-Anteils verbessert werden, was wiederum eine zuverlässigere und schnellere Bestimmung der aufgrund der Brillouin-Streuung auftretenden lokalen Intensitätsmaxima im Spektrum erlaubt.As a result, a filter characteristic of the filter element can be improved in an advantageous manner, since a degree of absorption of the rubidium increases with increasing temperature or a degree of transmission decreases. Thus, advantageously, suppression of the Rayleigh component can be improved, which in turn allows a more reliable and faster determination of the local intensity maxima in the spectrum due to Brillouin scattering.

Die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie kann hierbei derart ausgebildet sein, dass thermische Energie zum Filterelement, insbesondere zum Rubidium, übertragbar ist. Vorstellbar ist auch, dass die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie dem Filterelement thermische Energie entziehen kann. Somit kann die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie als Heizelement, gegebenenfalls zusätzlich auch als Kühlelement, ausgebildet sein.The device for generating thermal energy can in this case be designed such that thermal energy can be transmitted to the filter element, in particular to the rubidium. It is also conceivable that the device for generating thermal energy can extract thermal energy from the filter element. Thus, the device for generating thermal energy as a heating element, optionally also as a cooling element may be formed.

Erfindungsgemäß ist das Gehäuse in einem weiteren zylinderförmigen Außengehäuse angeordnet, wobei an gegenüberliegenden Stirnseiten des Außengehäuses jeweils Fensterflächen angeordnet sind, wobei die Fensterflächen transparent für das gestreute Licht sind. Weiter sind Verschlussklappen drehbar an Stirnseiten des Außengehäuses befestigt, wobei die Verschlussklappen in einer geschlossenen Stellung die Fensterflächen verdecken und in einer geöffneten Stellung die Fensterflächen freigeben.According to the invention, the housing is arranged in a further cylindrical outer housing, with respective window surfaces being arranged on opposite end sides of the outer housing, wherein the window surfaces are transparent to the scattered light. Next shutter flaps are rotatably mounted on end sides of the outer housing, wherein the shutter flaps in a closed position cover the window surfaces and release the windows in an open position.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das gasförmige Rubidium ein erstes Isotop Rb-85 und ein weiteres Isotop Rb-87. Ein Verhältnis von Mengen- oder Volumenanteilen beider Isotope ist hierbei einstellbar und somit variabel. Beispielsweise kann ein Volumenanteil des ersten Isotops 72,17% und ein Volumenanteil des weiteren Isotops 27,83% betragen.In another embodiment, the gaseous rubidium comprises a first isotope Rb-85 and another isotope Rb-87. A ratio of amounts or volumes of both isotopes is adjustable and thus variable. For example, a volume fraction of the first isotope may be 72.17% and a volume fraction of the further isotope may be 27.83%.

Beide Isotope weisen einen Absorptionsbereich im Bereich von 780,2456 nm auf. Die Halbwertbreite des Absorptionsbereichs ist hierbei kleiner als die vorhergehend erläuterte Differenz zwischen der positiven Brillouin-Frequenzverschiebung und der negativen Brillouin-Frequenzverschiebung und kann durch eine Variation der Mengen- oder Volumenanteile beider Isotope gezielt eingestellt werden.Both isotopes have an absorption range in the range of 780.2456 nm. The half-width of the absorption region is smaller than the previously explained difference between the positive Brillouin frequency shift and the negative Brillouin frequency shift and can be adjusted in a targeted manner by varying the quantitative or volume fractions of both isotopes.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein einfach anzuordnender Bandsperrfilter mit den gewünschten Eigenschaften, die eine möglichst gute Reduktion des Rayleigh-Anteils im gestreuten Licht ermöglichen. Weiter ist die Halbwertbreite des Bandsperrfilters in Abhängigkeit eines Volumen- oder Mengenanteils der jeweiligen Isotope einstellbar.This results in an advantageous manner, a simple to be arranged band rejection filter with the desired properties that allow the best possible reduction of the Rayleigh portion in the scattered light. Furthermore, the half-width of the band-stop filter can be set as a function of a volume or quantity fraction of the respective isotopes.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie das Gehäuse zumindest teilweise.In a further embodiment, the device for generating thermal energy comprises the housing at least partially.

Beispielsweise kann die Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie das Gehäuse zumindest teilweise einschließen, wobei das Gehäuse z. B. in einem von der Einrichtung zur Erzeugung thermischer Energie ausgebildeten Innenvolumen angeordnet ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Übertragung thermischer Energie zum Filterelement verbessert.For example, the means for generating thermal energy may at least partially enclose the housing, with the housing e.g. B. is arranged in a formed by the means for generating thermal energy internal volume. This advantageously improves the transfer of thermal energy to the filter element.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums ein dispersives Vielstrahlinterferometer. Das dispersive Vielstrahlinterferometer bezeichnet hierbei ein spektral hochauflösendes dispersives Element, welches Licht abhängig von einer Wellenlänge streut. Insbesondere umfasst die Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums das vorhergehend erläuterte VIPA (Virtually Imaged Phased Array). Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Erfassung des Spektrums des gefilterten Lichts erleichtert, da das Vielstrahlinterferometer das gefilterte Licht wellenlängenabhängig streut. Das wellenlängenabhängig gestreute Licht kann wiederum von einer Erfassungseinrichtung, insbesondere einem CCD-Sensor, erfasst werden, wobei Intensitäten des vom Vielstrahlinterfermometer gestreuten Lichts an räumlich verschiedenen Stellen der Erfassungseinrichtung erfasst und somit abgebildet werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Erfassung des Spektrums des gefilterten Lichts.In a further embodiment, the means for detecting a spectrum comprises a dispersive multibeam interferometer. The dispersive multibeam interferometer here denotes a spectrally high-resolution dispersive element, which Light differs depending on a wavelength. In particular, the device for detecting a spectrum comprises the previously explained VIPA (Virtually Imaged Phased Array). As a result, detection of the spectrum of the filtered light is facilitated in an advantageous manner, since the multi-beam interferometer scatters the filtered light as a function of the wavelength. The wavelength-dependent scattered light can in turn be detected by a detection device, in particular a CCD sensor, whereby intensities of the light scattered by the multibeam interferometer are detected at spatially different locations of the detection device and thus imaged. This advantageously allows easy detection of the spectrum of the filtered light.

Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung einer spektralen Änderung von gestreutem Licht, insbesondere eines Anteils des gestreuten Lichts, relativ zu einfallendem Licht. Hierbei wird monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Frequenz auf eine Probe gestrahlt. Die vorbestimmte Frequenz kann hierbei aus einem vorbestimmten Frequenzbereich gewählt werden. Das von der Probe gestreute Licht wird mittels mindestens eines Filterelements gefiltert. Das gefilterte Licht wird erfasst und ein Spektrum des gefilterten Lichts bestimmt, wobei die spektrale Änderung in Abhängigkeit des Spektrums bestimmt wird.Further proposed is a method for determining a spectral change of scattered light, in particular a portion of the scattered light, relative to incident light. Here, monochromatic light is irradiated to a sample at a predetermined frequency. The predetermined frequency can be selected from a predetermined frequency range. The light scattered by the sample is filtered by means of at least one filter element. The filtered light is detected and a spectrum of the filtered light is determined, the spectral change being determined as a function of the spectrum.

Weiter wird das gestreute Licht mittels eines Bandsperrfilters gefiltert, wobei eine Halbwertbreite des Bandsperrfilters kleiner als eine vorbestimmte maximale Breite gewählt wird, wobei die maximale Breite zumindest in Abhängigkeit der vorbestimmten Frequenz gewählt wird.Further, the scattered light is filtered by means of a band-stop filter, wherein a half-width of the band-stop filter is selected smaller than a predetermined maximum width, the maximum width being selected at least in dependence on the predetermined frequency.

Somit wird in vorteilhafter Weise ein zeitlich schnelles Verfahren zur Bestimmung der spektralen Änderung vorgeschlagen, welches eine zuverlässige und genaue Bestimmung der spektralen Änderung, insbesondere der Brillouin-Frequenzverschiebung, ermöglicht.Thus, a temporally fast method for determining the spectral change is advantageously proposed, which allows a reliable and accurate determination of the spectral change, in particular the Brillouin frequency shift.

In einer weiteren Ausführungsform wird die vorbestimmte Frequenz derart gewählt, dass eine Wellenlänge des monochromatischen Lichts 780.2456 nm beträgt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Anwendungssicherheit insbesondere bei der Untersuchung des Auges gewährleistet, da die Wellenlänge einen Kompromiss zwischen einer Strahlenbelastung und einer Höhe der spektralen Differenz zwischen der Frequenz der Rayleigh-Streuung und der Brillouin-Streuung darstellt.In another embodiment, the predetermined frequency is selected such that a wavelength of the monochromatic light is 780.2456 nm. This advantageously ensures application safety, in particular when examining the eye, since the wavelength represents a compromise between a radiation exposure and a level of the spectral difference between the frequency of the Rayleigh scattering and the Brillouin scattering.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Filterelement ein transparentes Gehäuse, wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit gasförmigem Rubidium gefüllt ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein möglichst einfach ausgebildetes Filterelement mit gewünschten Absorptionseigenschaften.In a further embodiment, the filter element comprises a transparent housing, wherein the housing is at least partially filled with gaseous rubidium. This results in an advantageously simple as possible trained filter element with desired absorption properties.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Temperatur des Filterelements höher als 100°C eingestellt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise Absorptionseigenschaften des Filterelements verbessert.In a further embodiment, a temperature of the filter element is set higher than 100 ° C. As a result, absorption properties of the filter element are advantageously improved.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The figures show:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a schematic block diagram of a device according to the invention,

2 ein schematischer Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement, 2 a schematic cross section through a filter element according to the invention,

3 ein exemplarischer Verlauf eines Transmissionsgrades in Abhängigkeit einer Wellenlänge, 3 an exemplary course of a transmittance as a function of a wavelength,

4a ein exemplarischer Verlauf eines normierten Spektrums ohne Filterelement, 4a an exemplary course of a normalized spectrum without filter element,

4b ein exemplarischer Verlauf eines normierten Spektrums mit Filterelement und 4b an exemplary course of a normalized spectrum with filter element and

5 ein exemplarischer Verlauf eines maximalen Transmissionsgrades über einer Temperatur des Rubidiums. 5 an exemplary course of a maximum transmittance above a temperature of rubidium.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.Hereinafter, like reference numerals designate elements having the same or similar technical features.

In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Brillouin-Frequenzverschiebung (siehe Formel 1) dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 2. Die Lichtquelle 2 emittiert monochromatisches Licht 3 mit einer Wellenlänge von 780.2456 nm. Das von der Lichtquelle 2 erzeugte monochromatische Licht 3 wird mittels eines ersten Spiegels S1 und einer Objektivlinse OL auf eine Probe 4 gestrahlt. Die Objektlinse OL kann beispielsweise eine Brennweite von 40 mm aufweisen. In 1 ist dargestellt, dass die Probe 4 als Auge ausgebildet ist. Von der Probe 4 gestreutes Licht 5 wird mittels der Objektivlinse OL gebündelt und parallelisiert. Das parallelisierte Licht 6 wird durch ein Filterelement RZ, welches als Rubidium-Gaszelle ausgebildet ist, gefiltert. Das gefilterte Licht 7 wird mittels einer ersten Abbildungslinse L1, einer Lochblende LB, einer zweiten Abbildungslinse L2 und einem zweiten Spiegel S2 optisch zu einem Spektrometer 8 geführt. Die erste Abbildungslinse L1 kann beispielsweise eine Brennweite von 100 mm und die zweite Abbildungslinse L2 eine Brennweite von 200 mm aufweisen. Die Lochblende LB kann beispielsweise einen Durchmesser von 100 μm aufweisen.In 1 is a schematic block diagram of a device 1 for determining a Brillouin frequency shift (see formula 1). The device 1 comprises a light source designed as a laser 2 , The light source 2 emits monochromatic light 3 with a wavelength of 780.2456 nm. That of the light source 2 generated monochromatic light 3 is probed by means of a first mirror S1 and an objective lens OL 4 blasted. The object lens OL may, for example, have a focal length of 40 mm. In 1 is shown that the sample 4 is designed as an eye. From the sample 4 scattered light 5 is bundled by the objective lens OL and parallelized. The parallelized light 6 is filtered by a filter element RZ, which is designed as a rubidium gas cell. The filtered light 7 is optically to a spectrometer by means of a first imaging lens L1, a pinhole LB, a second imaging lens L2 and a second mirror S2 8th guided. For example, the first imaging lens L1 may have a focal length of 100 mm and the second imaging lens L2 may have a focal length of 200 mm. The Aperture LB, for example, have a diameter of 100 microns.

Hierbei sind die Objektivlinse OL, das Filterelement RZ, die erste Abbildungslinse L1, die Lochblende LB, die zweite Abbildungslinse L2 sowie der zweite Spiegel S2 in Strahlrichtung des gestreuten Lichts 5 bzw. des parallelisierten Lichts 6 bzw. des gefilterten Lichts 7 hintereinander angeordnet. Das Spektrometer 8 umfasst ein dispersives Vielstrahlinterferometer 9, welches auch als Virtually Imaged Phased Array bezeichnet werden kann. Das gefilterte Licht 7 wird durch eine dritte Abbildungslinse L3, die beispielsweise eine Brennweite von 200 mm aufweisen und als positive Zylinderlinse ausgebildet sein kann, auf das Vielstrahlinterferometer 9 fokussiert und von diesem wellenlängenabhängig gestreut. Das vom Vielstrahlinterferometer 9 gestreute Licht wird von einer vierten Abbildungslinse L4, die beispielsweise eine Brennweite von 200 mm aufweisen kann, gesammelt und auf einen CCD-Sensor 10 gestrahlt. Der CCD-Sensor 10 erfasst somit eine Intensität des wellenlängenabhängig gestreuten Lichts und somit ein Spektrum des gefilterten Lichts 7.Here, the objective lens OL, the filter element RZ, the first imaging lens L1, the pinhole LB, the second imaging lens L2 and the second mirror S2 in the beam direction of the scattered light 5 or the parallelized light 6 or the filtered light 7 arranged one behind the other. The spectrometer 8th includes a dispersive multibeam interferometer 9 , which can also be referred to as Virtually Imaged Phased Array. The filtered light 7 is by a third imaging lens L3, for example, have a focal length of 200 mm and may be formed as a positive cylindrical lens on the multi-beam interferometer 9 focused and scattered by this wavelength-dependent. That of the multibeam interferometer 9 Scattered light is collected by a fourth imaging lens L4, which may, for example, have a focal length of 200 mm, and a CCD sensor 10 blasted. The CCD sensor 10 thus detects an intensity of the wavelength-dependent scattered light and thus a spectrum of the filtered light 7 ,

Das Filterelement RZ dient als Bandsperrfilter, der im Bereich einer Wellenlänge λ von 780.2456 nm einen ersten Absorptionsbereich AB1 und bei einer höheren Wellenlänge λ als 780.2456 nm einen weiteren Absorptionsbereich AB2 aufweist (siehe 3).The filter element RZ serves as a bandstop filter which has a first absorption region AB1 in the region of a wavelength λ of 780.2456 nm and a further absorption region AB2 at a wavelength λ greater than 780.2456 nm (see 3 ).

Der erste Absorptionsbereich AB1 weist eine nicht dargestellte Halbwertbreite und eine Mittenfrequenz von 780.2456 nm auf, sodass der auf einem Rayleigh-Anteil des gestreuten Lichts 5 basierte Intensitätsanteil im gefilterten Licht 7 reduziert wird, wobei jedoch Brillouin-Anteile des gestreuten Lichts 5 im gefilterten Licht 7 nicht oder nur in sehr geringem Maße gedämpft werden.The first absorption region AB1 has an unillustrated half width and a center frequency of 780.2456 nm, so that the on a Rayleigh portion of the scattered light 5 based intensity component in filtered light 7 is reduced, but Brillouin proportions of the scattered light 5 in filtered light 7 not or only to a small extent be damped.

Hierzu ist die Halbwertbreite des ersten Absorptionsbereiches AB1 kleiner als eine Differenz zwischen der in Formel 1 beschriebenen positiven Brillouin-Frequenzverschiebung und der ebenfalls in Formel 1 beschriebenen negativen Brillouin-Frequenzverschiebung.For this purpose, the half-width of the first absorption range AB1 is smaller than a difference between the positive Brillouin frequency shift described in Formula 1 and the negative Brillouin frequency shift also described in Formula 1.

In 2 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Filterelement RZ dargestellt, die als Rubidiumgaszelle 11 ausgebildet ist. Die Rubidiumgaszelle 11 umfasst ein aus Pyrex-Glas ausgebildetes hohlzylinderförmiges Gehäuse 12, welches mit gasförmigem Rubidium 13 gefüllt ist. Das gasförmige Rubidium 13 setzt sich hierbei aus dem Isotop Rb-85 und dem Isotop RB-87 in einem variablen Verhältnis zusammen. Eine Mantelfläche des Gehäuses 12 ist hierbei von einer Heizspirale 14 umgeben, wobei die Heizspirale 14 bei Stromfluss durch einen die Heizspirale 14 ausbildenden elektrischen Leiter Wärmeenergie erzeugt.In 2 is a schematic cross section through a filter element RZ shown as rubidium gas cell 11 is trained. The rubidium gas cell 11 includes a hollow cylindrical housing formed of Pyrex glass 12 which is gaseous rubidium 13 is filled. The gaseous rubidium 13 This is composed of the isotope Rb-85 and the isotope RB-87 in a variable ratio. A lateral surface of the housing 12 This is from a heating coil 14 surrounded by the heating coil 14 at current flow through a heating coil 14 forming electrical conductor generates heat energy.

Die Rubidiumgaszelle 11 ist in einem weiteren zylinderförmigen Außengehäuse 15 angeordnet. In einem Innenvolumen des Außengehäuses 15 ist neben dem Gehäuse 12 weiter ein Isoliergranulat 16 angeordnet, welches die Mantelfläche des Gehäuses 12 der Rubidiumgaszelle 11 umgibt. Das Außengehäuse 15 weist einen Gehäusefuß 17 auf, mittels dessen das Außengehäuse 15 auf einer nicht dargestellten Befestigungseinrichtung angeordnet werden kann. Weiter weist das Außengehäuse 15 einen Auslass 18 auf, welcher eine Öffnung eines hohlzylinderförmigen Kanals bildet, die ein Außenvolumen mit der Mantelfläche des Gehäuses 12 verbindet. Der Auslass 18 dient hierbei einer Wärmeabfuhr aus dem Inneren des Außengehäuses 15.The rubidium gas cell 11 is in a further cylindrical outer housing 15 arranged. In an internal volume of the outer housing 15 is next to the case 12 further an insulating granulate 16 arranged, which is the lateral surface of the housing 12 the rubidium gas cell 11 surrounds. The outer housing 15 has a housing foot 17 on, by means of which the outer casing 15 can be arranged on a fastening device, not shown. Next, the outer housing 15 an outlet 18 on, which forms an opening of a hollow cylindrical channel having an outer volume with the lateral surface of the housing 12 combines. The outlet 18 This serves to dissipate heat from the interior of the outer housing 15 ,

An gegenüberliegenden Stirnseiten des Außengehäuses 15 sind jeweils Fensterflächen 19 angeordnet, die transparent für das parallelisierte, gestreute Licht 6 (siehe 1) sind. Durch die Fenster 19 kann das parallelisierte Licht 6 in die Rubidiumgaszelle 11 eintreten und wieder aus der Rubidiumgaszelle 11 austreten. Weiter dargestellt sind Teflonringe 20, die ebenfalls an gegenüberliegenden Stirnseiten des weiteren Gehäuses 15 angeordnet sind, wobei die Teflonringe 20 zwischen den Fenstern 19 und Stirnseiten der Rubidiumgaszelle 11 angeordnet sind. Diese dienen einer Abdichtung des Innenvolumens des Außengehäuses 15. Weiter dargestellt sind Verschlussklappen 21, die drehbar an den Stirnseiten des Außengehäuses 15 befestigt sind. Die Verschlussklappen 21 sind um Drehachsen 22 drehbar, wobei die Verschlussklappen 21 in einer geschlossenen Stellung die Fenster 19 verdecken und in einer geöffneten Stellung die Fenster 19 freigeben.At opposite ends of the outer housing 15 are each window areas 19 arranged transparent to the parallelized, scattered light 6 (please refer 1 ) are. Through the windows 19 can the parallelized light 6 into the rubidium gas cell 11 enter and back out of the rubidium gas cell 11 escape. Also shown are teflon rings 20 , which also on opposite end sides of the other housing 15 are arranged, wherein the teflon rings 20 between the windows 19 and end faces of the rubidium gas cell 11 are arranged. These serve to seal the internal volume of the outer housing 15 , Further illustrated are flaps 21 , which are rotatable on the end faces of the outer housing 15 are attached. The flaps 21 are about axes of rotation 22 rotatable, with the flaps 21 in a closed position the windows 19 cover and in an open position the windows 19 release.

Nicht dargestellt sind elektrische Leitungen, durch die die Leitungen der Heizspirale 14 elektrisch mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden sind. Mittels der Heizspirale 14 ist die Rubidiumgaszelle 11 temperierbar, insbesondere eine gewünschte Temperatur der Rubidiumgaszelle 11 einstellbar.Not shown are electrical lines through which the wires of the heating coil 14 are electrically connected to a power or voltage source. By means of the heating spiral 14 is the rubidium gas cell 11 tempered, in particular a desired temperature of the rubidium gas cell 11 adjustable.

In 3 ist ein exemplarischer Verlauf eines Transmissionsgrades TG des Rubidiums 13 dargestellt, welches in der Rubidiumgaszelle 11 (siehe 2) angeordnet sein kann. Hierbei ist auf einer Y-Achse eine Transmission T dargestellt, wobei bei einer Transmission T von 1 Licht mit der entsprechenden, auf der X-Achse dargestellten Wellenlänge λ, vollständig durchgelassen und bei einer Transmission T von 0 vollständig absorbiert wird. Der Verlauf des Transmissionsgrads TG über der Wellenlänge λ zeigt, dass das Rubidium 13 zwei Absorptionsbereiche AB1, AB2 aufweist, die im Bereich einer Wellenlänge λ von 780,2456 nm und 780,2478 nm angeordnet sind. Ein Absorptionsbereich AB1, AB2 bezeichnet hierbei einen Bereich, in welchem der Transmissionsgrad TG kleiner als ein vorbestimmter Wert, beispielsweise 0,9 oder 0,95, ist.In 3 is an exemplary course of a transmittance TG of rubidium 13 shown in the rubidium gas cell 11 (please refer 2 ) can be arranged. In this case, a transmission T is shown on a Y-axis, wherein at a transmission T of 1 light with the corresponding wavelength λ shown on the X-axis is completely transmitted and completely absorbed at a transmission T of 0. The course of the transmittance TG over the wavelength λ shows that the rubidium 13 has two absorption regions AB1, AB2, which are arranged in the range of a wavelength λ of 780.2456 nm and 780.2478 nm. An absorption region AB1, AB2 here denotes a region in which the transmittance TG is smaller than a predetermined value, for example 0.9 or 0.95.

Fällt Licht mit einer Wellenlänge λ aus einem dieser Absorptionsbereiche AB1, AB2 in das Rubidium ein, so wird ein Teil des Lichts mit dieser Wellenlänge λ absorbiert und somit eine Intensität des Anteils mit der entsprechenden Wellenlänge λ geschwächt. Die Absorptionsbereiche AB1, AB2 weisen somit eine Bandsperrfiltercharakteristik auf.If light with a wavelength λ from one of these absorption regions AB1, AB2 falls into the rubidium, a part of the light with this wavelength λ is absorbed and thus an intensity of the component with the corresponding wavelength λ is weakened. The absorption regions AB1, AB2 thus have a notch filter characteristic.

In 4a ist ein exemplarischer Verlauf eines Spektrums des reflektierten Lichts 5 dargestellt, welches nicht durch ein Filterelement RZ gefiltert wird. Hierbei ist das Spektrum normiert auf die Frequenz v_B des eingestrahlten Lichts, beispielsweise 780.2456 nm. Eine Frequenz v_B von 0 GHz entspricht somit einer Frequenz des Lichts mit einer Wellenlänge 780.2456 nm. Das Spektrum weist ein Maximum MR bei der Frequenz von 0 GHz auf, welches aus einem Rayleigh-Anteil des gestreuten Lichts 5 resultiert. Weiter weist das Spektrum ein erstes lokales Maximum MB1 und ein weiteres lokales Maximum MB2 auf, die bei einem Frequenzversatz dv_B von 4,9 GHz bzw. –4,9 GHz auftreten. Diese Intensitäten der lokalen Intensität Maxima MB1, MB2 resultieren aus einem Brillouin-Anteil des gestreuten Lichts 5. Die Änderung der Frequenz, also die Differenz zwischen der zum ersten lokalen Maximum MB1 korrespondierenden Frequenz und der Frequenz des einfallenden Lichts entspricht der zu bestimmenden spektralen Änderung. Diese ist abhängig von rheologischen Eigenschaften bzw. (bio-)mechanischen Eigenschaften der untersuchten Probe 4 (siehe 1). Das lokale Maximum MB1 entspricht einer Brillouin-Anti-Stokes-Streuung, während das weitere lokale Maximum MB2 einem Brillouin-Stokes-Anteil entspricht.In 4a is an exemplary progression of a spectrum of reflected light 5 which is not filtered by a filter element RZ. In this case, the spectrum is normalized to the frequency v _{B of} the incident light, for example 780.2456 nm. A frequency v _B of 0 GHz thus corresponds to a frequency of the light having a wavelength of 780.2456 nm. The spectrum has a maximum MR at the frequency of 0 GHz , which consists of a Rayleigh portion of the scattered light 5 results. Furthermore, the spectrum has a first local maximum MB1 and a further local maximum MB2, which occur at a frequency offset dv _B of 4.9 GHz and -4.9 GHz, respectively. These intensities of the local intensity maxima MB1, MB2 result from a Brillouin portion of the scattered light 5 , The change in the frequency, ie the difference between the frequency corresponding to the first local maximum MB1 and the frequency of the incident light corresponds to the spectral change to be determined. This depends on rheological properties or (bio-) mechanical properties of the examined sample 4 (please refer 1 ). The local maximum MB1 corresponds to Brillouin-anti-Stokes scattering, while the further local maximum MB2 corresponds to a Brillouin-Stokes fraction.

In 4b ist ein exemplarisches Spektrum von gefiltertem Licht 7 (siehe 1) dargestellt. Hierbei ist klar ersichtlich, dass das globale Maximum MR (siehe 4a) bzw. dessen Intensität gedämpft wurde und somit ein Rayleigh-Anteil im gefilterten Licht 7 minimiert wurde. Hierdurch sind die lokalen Maxima MB1, MB2 leicht und eindeutig im Spektrum zu identifizieren. Dies ermöglicht wiederum eine vereinfachte und zuverlässige Bestimmung der spektralen Änderung, die durch die Probe 4 bedingt wird. Dies wiederum bedingt eine verbesserte Bestimmung von rheologischen Eigenschaften.In 4b is an exemplary spectrum of filtered light 7 (please refer 1 ). It is clear that the global maximum MR (see 4a ) or whose intensity was attenuated and thus a Rayleigh component in the filtered light 7 was minimized. As a result, the local maxima MB1, MB2 are easily and clearly identified in the spectrum. This in turn allows a simplified and reliable determination of the spectral change caused by the sample 4 conditional. This in turn requires an improved determination of rheological properties.

In 5 ist ein minimaler Transmissionsgrad TGm in einem der in 3 dargestellten Absorptionsbereiche AB1, AB2 über einer Temperatur θ des Rubidiums 13 (siehe 2.) dargestellt. Hierbei ist ersichtlich, dass ein minimaler Transmissionsgrad TGm mit steigender Temperatur abnimmt. Somit wird eine Dämpfung des in 4a dargestellten Rayleigh-Anteils des gestreuten Lichts 5 mit steigender Temperatur θ des Rubidiums 13 verstärkt.In 5 is a minimum transmittance TGm in one of the in 3 shown absorption areas AB1, AB2 above a temperature θ of the rubidium 13 (please refer 2 .). It can be seen that a minimum transmittance TGm decreases with increasing temperature. Thus, a damping of in 4a represented Rayleigh portion of the scattered light 5 with increasing temperature θ of rubidium 13 strengthened.

Claims

Device for determining a spectral change of scattered light ( 5 ) relative to incident light ( 3 ) for determining rheological properties, wherein the device ( 1 ) a light source ( 2 ), a filter element (RZ) and a means for detecting a spectrum, wherein by means of the light source ( 2 ) monochromatic light of a predetermined frequency and on a sample ( 4 ) is radiant, wherein by means of the filter element (RZ) of the sample ( 4 ) scattered light ( 5 ) is filterable, whereby by means of the means for detecting a spectrum filtered light ( 7 ) and the spectrum of the filtered light ( 7 ), wherein the spectral change in dependence on the spectrum is determinable, wherein the filter element (RZ) is designed as a band rejection filter, wherein a half-width of the band rejection filter is selected to be smaller than a predetermined maximum width, the maximum width at least in dependence on the predetermined frequency is selected, wherein the filter element (RZ) a transparent housing ( 12 ), wherein the housing ( 12 ) at least partially with gaseous rubidium ( 13 ), the device ( 1 ) comprises means for generating thermal energy, wherein the means for generating thermal energy thermally with the housing ( 12 ), characterized in that the housing ( 12 ) in a further cylindrical outer housing ( 15 ) is arranged, wherein at opposite end sides of the outer housing ( 15 ) each window surfaces ( 19 ) are arranged, wherein the window surfaces ( 19 ) transparent to the scattered light ( 5 ), with flaps ( 21 ) rotatable on end faces of the outer housing ( 15 ), the flaps ( 21 ) in a closed position, the window surfaces ( 19 ) and in an open position the window surfaces ( 19 ).

Device according to claim 1, characterized in that the gaseous rubidium ( 13 ) comprises a first isotope RB-85 and another isotope RB-87.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the means for generating thermal energy the housing ( 13 ) at least partially.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Device for detecting a spectrum of a dispersive multibeam interferometer ( 9 ).

Method for determining a spectral change of scattered light ( 5 ) relative to incident light ( 3 ) by means of a device according to one of claims 1 to 4, wherein monochromatic light with a predetermined frequency on a sample ( 4 ), whereby that of the sample ( 4 ) scattered light ( 5 ) is filtered by means of at least one filter element (RZ), wherein the filtered light ( 7 ) and a spectrum of the filtered light ( 7 ), the spectral change being determined as a function of the spectrum, the scattered light ( 5 ) is filtered by means of a band-stop filter, wherein a half-value width of the band-stop filter is selected to be smaller than a predetermined maximum width, the maximum width being selected at least in dependence on the predetermined frequency.

A method according to claim 5, characterized in that the predetermined frequency is selected such that a wavelength of the monochromatic light is 780.2456 nm.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that the filter element (RZ) a transparent housing ( 12 ), wherein the housing ( 12 ) at least partially with gaseous rubidium ( 13 ) is filled.

Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that a temperature (θ) of the filter element (RZ) is set higher than 100 ° C.