DE19527540A1

DE19527540A1 - Optischer Korrelator und Verfahren zur Korrelation optischer Signale

Info

Publication number: DE19527540A1
Application number: DE1995127540
Authority: DE
Inventors: Gerald Dr Soelkner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: WO1997005538A1; DE19527540C2

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Durch Analyse der in einem Speckle-Muster auftretenden Inten sitätsfluktuationen las sen sich die Rotation, die Deformation der Oberfläche und die Geschwindigkeit eines von einem Laser strahl beleuchteten Körpers bestimmen. Seit einigen Jahren werden diese auf dem Speckle-Phänomen basierenden optischen Verfahren auch im Bereich der medizinischen Diagnostik einge setzt, um die mittlere Fließgeschwindigkeit des Blutes in den obersten Hautschichten in vivo zu messen (s. beispielsweise [1, 2]).

In kommerziell verfügbaren Laser-Doppler-Meßgeräten erfaßt man die vom beleuchteten Gewebe reflektierte Laserstrahlung mit Lichtwellenleitern, deren Kerndurchmesser etwa 100 µm be trägt. Auf den Photodetektor werden deshalb typischerweise weniger als 10 Speckles abgebildet und einer Frequenzanalyse unterzogen, wobei die mittlere Fluktuationsfrequenz des ge messenen Photonenstromes als Maß für die Fließgeschwindigkeit des Blutes dient. Als Strahlungsquelle finden vor allem Heli um-Neon-Laser (λ = 633 nm) aber auch Halbleiterlaser (λ 800 nm) Verwendung. Laserstrahlung der Wellenlänge λ ≈ 800 nm wird nur schwach im Gewebe absorbiert und dringt deshalb ver gleichsweise tief in dieses ein. Es bereitet allerdings er hebliche Schwierigkeiten, die Fließgeschwindigkeit des Blutes in tieferliegenden Gewebeschichten (d 0,5 mm) zu bestimmen, da der Anteil der aus diesen Schichten in Richtung des Licht wellenleiters reflektierten Strahlung exponentiell mit der Tiefe abnimmt. Zur Lösung dieses Problems wurde in [1-3] vorgeschlagen, viele Einzelspeckles in einem mehrkanaligen Verfahren parallel auszuwerten.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Korrela tors, den man insbesondere als Detektor in einem der Untersu chung der Eigenschaften eines stark streuenden Mediums die nenden Laser-Doppler-Meßgerät verwenden kann. Der Korrelator soll in der Lage sein, mehrere 1000 Einzelspeckles zu erfas sen und parallel auszuwerten. Ein Korrelator mit den in Pa tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigen schaft. Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Korrelators sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Patentansprüche 9 und 10 betreffen ein entsprechendes Verfahren zur Korrela tion optischer Signale.

Mit Hilfe des im folgenden Abschnitt beschriebenen Korrela tors lassen sich über N = 10⁵ Einzelspeckles simultan erfas sen und einer Frequenzanalyse unterziehen. Durch Addition der den Einzelspeckles zugeordneten Autokorrelationswerte kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um den Faktor √ gegenüber den nur einzelne Speckles auswertenden Detektoren erhöht und die Meßzeit dadurch um mehr als einen Faktor 100 verkürzt werden. Das große Signal-zu-Rausch-Verhältnis erlaubt die Auswertung äußerst intensitätsschwacher Specklemuster, was sich bei der Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit des Blutes in tieferliegenden Gewebeschichten vorteilhaft auswirkt. Möglich wird erstmals auch die Durchblutungsmessung am Gehirn, ohne hierbei den Schädelknochen öffnen zu müssen.

3. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Wie eingangs erwähnt, wird die mittlere Fließgeschwindigkeit des Blutes in oberflächennahen Gewebeschichten durch Analyse der in einem Specklemuster auftretenden, von der Bewegung der Streuzentren (rote Blutkörperchen) hervorgerufenen Intensi tätsfluktuation gemessen. Die Auswertung kann hierbei auf ei ner geeigneten Frequenzfilterung oder, dem äquivalent, der Bestimmung der zeitlichen Korrelationsfunktion beruhen (s. [4]). Der in der Zeichnung schematisch dargestellte Detektor ist in der Lage, entsprechende Autokorrelationswerte für das ihm über ein Glasfaserbündel 1 oder eine Freistrahloptik zu geführte Specklemuster zu erzeugen. Objektseitig sind die auf der Haut aufliegenden Glasfasern 2 hierbei jeweils mit Strah lung der Intensität I*_ÿ(t) beaufschlagt. Die dem Glasfaser bündel 1 nachgeordnete, aus einem abbildenden Linsensystem 3 und einem Strahlteiler 4 bestehende Optik hat die Aufgabe, sowohl auf dem ortsauflösenden Detektor 5 (Detektor, der die Intensität in Abhängigkeit vom Ort mißt) als auch auf der im folgenden als Lichtmodulator (Spatial-Light-Modulator) be zeichneten Einheit 6 eine dem Specklemuster entsprechende In tensitätsverteilung zu erzeugen. Der Lichtmodulator 6 besitzt eine Matrix von Bereichen bzw. Pixel M_ÿ, deren Transmission sich individuell steuern läßt. In kommerziell erhältlichen Lichtmodulatoren verwendet man üblicherweise Flüssigkristalle als optische Schaltelemente, wobei die Anzahl der elektrisch adressierbaren Bereiche M_ÿ modell- und herstellerabhängig ist. So besitzt der von Boulder Nonlinear Systems, Boulder, Colorado, USA gefertigte Lichtmodulator N = 128 × 128 Pixel, das Modell 2DX 320 von Döhrer Elektronenoptik, D-76299 Karls bad N = 320 × 320 Pixel auf einer Fläche von 25,4 × 25,4 mm². Die Ansteuerfrequenz dieser Modulatoren liegt bei f 1 kHz bzw. f = 10-20 Hz.

Um die aktive Fläche des Lichtmodulators 6 optimal aus zu leuchten und Intensitätsverluste zu vermeiden, sollte die An zahl der Glasfasern 2 im Faserbündel 1 der Anzahl N der Pixel M_ÿ entsprechen. Das Linsensystem 3 bildet dann jedes Faser ende auf genau ein Pixel M_ÿ des Lichtmodulators 6 ab, so daß dort jeweils Laserstrahlung der Intensität I_ÿ(t) einfällt.

Der ortsauflösende Detektor 5 besteht aus einer Vielkanalplat te 51 und einer im folgenden als CCD (Charge-Coupled-Device) bezeichneten Ladungsträgerverschiebeeinheit 52, wobei die An zahl der der Photoelektronenvervielfachung dienenden Kanäle K_ÿ wieder der Anzahl der Glasfasern 2 und damit der Anzahl N der Pixel M_ÿ des Lichtmodulators 6 entspricht. Jedem der mit Strahlung der Intensität I_ÿ(t) beaufschlagten Kanäle K_ÿ sind mehrere Pixel der CCD 52 zugeordnet, da diese üblicherweise bis zu 1024 × 1024 strahlungsempfindliche Bereiche aufweist. Die die jeweils gemessenen Intensitäten I_ÿ(t) repräsentie renden Ausgangssignale der CCD 52 werden der elektronischen Verzögerungseinheit 7 zugeführt, dort um eine vorgegebene Zeitspanne τ von typischerweise 25 µs τ < 10 ms verzögert und in den Rechner 8 eingelesen. Dieser steuert den Lichtmo dulator 6 derart an, daß die Transmission eines Bereichs M_ÿ zum Zeitpunkt t der im zugeordneten Pixelbereich S_ÿ des ortsauflösenden Detektors 5 gemessenen Intensität I_ÿ(t-τ) zum Zeitpunkt t′ := t - τ entspricht. Die Intensität I_ÿ ^t der von einem Bereich M_ÿ transmittierten Strahlung ist dann je weils durch

I_ÿ ^t := I_ÿ (t - τ) × I_ÿ(t)

gegeben. Der ebenfalls aus einer Vielkanalplatte 91 und einer CCD 92 bestehende ortsauflösende Detektor 9 hat die Aufgabe, die vom Lichtmodulator 6 transmittierte Strahlung pixelweise zu erfassen und die jeweils gemessenen Intensitäten I_ÿ ^t(t) über eine gewünschte Zeitspanne von typischerweise Δt ≈ 1 s zu integrieren. Das Ausgangssignal des dem Pixel M_ÿ zugeordneten Bereichs S_ÿ′ des ortsauflösenden Detektors 9 repräsentiert dann die durch

gegebene Autokorrelationsfunktion A_ÿ(Δt) des auf M_ÿ abgebil deten Speckles. Die einzelnen Korrelationswerte A_ÿ(Δt) kön nen nun separat abgespeichert werden, um anschließend die Messung bei geändertem τ zu wiederholen falls das abgebilde te Specklermuster nur eine niedrige Intensität besitzt, emp fiehlt es sich, die Autokorrelationswerte A_ÿ(Δt) in einem dem Detektor 9 nachgeschalteten Integrator 10 zu summieren und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis dadurch um einen Faktor √ gegenüber der Auswertung von einzelnen Speckles zu ver bessern.

4. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optischen Korrela tors

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel. So kann man bei spielsweise

- das Glasfaserbündel und/oder die Vielkanalplatte 51/91 ei nes oder beider Detektoren 5/9 jeweils durch eine die De tektionskanäle definierende Lochblende oder Maske ersetzen, sofern die Intensität des zu analysierenden Specklemusters ausreichend hoch ist;
- an Stelle der Vielkanalplatte 51/91 ein Glasfaserbündel vorsehen;
- an Stelle der CCD 52/92 ein Diodenarray oder ein Vidikon verwenden;
- die elektrische Verzögerungseinheit 7 in den Rechner 8 in tegrieren und
- von verschiedenen Quellen stammende Strahlenbündel auf den Lichtmodulator 6 und den ortsauflösenden Detektor 5 abzu bilden und die jeweils gemessenen Intensitäten in beliebi ger Weise korrelieren.

5. Literatur

[1] Optics Letters, 10 (1985); S. 104-106
[2] Applied Optics, 26 (1987); S. 5321-5324
[3] Applied Optics, 29 (1990); S. 2371 ff.
[4] Applied Optics, 20 (1981), S. 2097-2107.

Claims

1. Optischer Korrelator mit den folgenden Merkmalen:

- Er enthält eine mit einem ersten Bündel elektromagnetischer Strahlung beleuchtete Modulatoreinheit (6), wobei die Modu latoreinheit (6) eine Anzahl von Bereichen M_ÿ aufweist, deren Transmission sich individuell steuern läßt;
- Jeweils einem der mit elektromagnetischer Strahlung be leuchteten Bereiche M_ÿ der Modulatoreinheit (6) ist zumin dest ein strahlungsempfindlicher Bereich S_ÿ′ eines ersten ortsauflösenden Detektors (9) zugeordnet, wobei der Bereich S_ÿ′ ein individuell abgreifbares Ausgangssignal erzeugt, welches die Intensität der vom zugeordneten Bereich M_ÿ der Modulatoreinheit (6) transmittierten Strahlung repräsen tiert;
- Ein mit einem zweiten Bündel elektromagnetischer Strahlung beleuchteter zweiter ortsauflösender Detektor (5) weist strahlungsempfindliche Bereiche S_kl auf, welche jeweils ein individuell abgreifbares, die Intensität der auftreffenden Strahlung repräsentierendes Ausgangssignal erzeugen;
- Eine mit den Ausgangssignalen des zweiten ortsauflösenden Detektors (5) beaufschlagte Einrichtung (7, 8) steuert die Modulatoreinheit (6) derart an, daß jeweils die Transmissi on eines Bereichs M_ÿ zu einem ersten Zeitpunkt von der in einem zugeordneten Bereich S_kl des zweiten ortsauflösender Detektors (5) zu einem zweiten Zeitpunkt gemessenen Strah lungsintensität abhängt.

2. Optischer Korrelator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit den Ausgangssignalen des ersten ortsauflösenden De tektors (9) beaufschlagte Integrator- oder Summationseinheit (10).

3. Optischer Korrelator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Modulatoreinheit (6) ansteuerende Einrichtung (7, 8) eine mit den Ausgangssignalen des zweiten ortsauflösenden Detektors (5) beaufschlagte Verzögerungseinheit (7) aufweist.

4. Optischer Korrelator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine optische Einheit (3, 4) zur Abbildung elektromagneti scher Strahlung auf die Modulatoreinheit (6) und den zweiten ortsauflösenden Detektor (5).

5. Optischer Korrelator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit ein Linsensystem (3) und einen im Strahlengang hinter dem Linsensystem (3) angeordneten Strahl teiler (4) aufweist, wobei der Strahlteiler (4) das auf die Modulatoreinheit (6) gerichtete erste Strahlenbündel und das auf den zweiten ortsauflösenden Detektor (5) gerichtete zwei te Strahlenbündel erzeugt.

6. Optischer Korrelator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optischen Einheit (3, 4) ein mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagtes Glasfaserbündel (1) vorgelagert ist, wobei die Anzahl der Glasfasern (2) zumindest der Anzahl der Bereiche M_ÿ der Modulatoreinheit (6) entspricht.

7. Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem ortsauflösenden Detektor (5, 9) eine Vielkanalplatte (51, 91), ein Glasfaserbündel oder eine Lochmaske vorgelagert ist.

8. Optischer Korrelator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Ladungsträgerverschiebeeinrichtung (52, 92), ein Photo diodenarray oder ein Vidikon als ortsauflösender Detektor.

9. Verfahren zur Korrelation optischer Signale, bei dem

- eine Modulatoreinheit (6) mit einem ersten Bündel elektro magnetischer Strahlung beleuchtet wird, wobei die Modula toreinheit (6) eine Anzahl von Bereichen (M_ÿ) aufweist, deren Transmission sich individuell steuern läßt,
- ein ortsauflösender Detektor (5) mit einem zweiten Bündel elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, wobei der ortsauflösende Detektor eine Anzahl strahlungsempfindlicher Bereiche S_kl aufweist,
- die zu einem ersten Zeitpunkt in den Bereichen S_kl gemesse nen Strahlungsintensitäten die Transmission der den Berei chen S_kl jeweils zugeordneten Bereiche M_ÿ der Modulatorein heit zu einem zweiten Zeitpunkt steuern und bei dem
- die Intensitäten der von den Bereichen M_ÿ jeweils trans mittierten Strahlung gemessen und über eine vorgegebene Zeitspanne integriert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierten Intensitäten addiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Bündel durch Strahlteilung eines primären Strahlenbündels erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Strahlenbündel ein Specklemuster ist.