DE19700592A1 - Meßsystem zur tiefenaufgelösten Bestimmung des dopplerverschobenen Spektrums des von einer streuenden Flüssigkeit zurückgestrueten Lichts mit elektronischer Tiefenverstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tiefenaufgelösten Laser-Doppler-Fluß­ messung mit elektronischer Tiefenselektion der von streuenden Flüssigkeiten aus verschiedener Tiefen einer Probe zurückgestreuten Photonen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die berührungslose optische Bestimmung von Durchflußmengen streuender Flüssig­ keiten in streuenden Materialien ist mit dem Laser-Doppler-Perfusions-Imaging mög­ lich ("Tissue perfusion monitoring and imaging by coherent light scattering", Proc. SPIE Vol 1524, 1991). Die berührungslose optische Auswahl einer Tiefenschicht ist mit Hilfe der Niederkohärenzmethode durch die Position des Referenzspiegels mög­ lich (Fujimoto et. al., "Optical Coherence Tomography", Science, Vol 254, pp 1178- 1181, 1991). Eine elektronische Tiefenschichtselektion kann durch ein multimodiges Laserspektrum nach dem Prinzip der synthetischen Kohärenzfunktion durch Variati­ on des Spektrallinienabstandes erreicht werden (Hotate, "Optical Coherence Doma­ in Reflectometry by Synthesis of Coherence Function", Lightwave Technology, Vol 11, pp 1701-1710, 1993.) Eine berührungslose optische tiefenaufgelöste Bestim­ mung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit ist durch das Niederkohärenzverfahren mit Auswertung der Doppler Verschiebung möglich (Wang, "Characterization of fluid flow velocity by optical Doppler tomography" Optics Letters, Vol 20, pp 1337- 1339, 1995). Auf diese Durchschriften wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe ausdrücklich verwiesen.

Das Verfahren zur optischen, tiefenaufgelösten Geschwindigkeitsmessung einer strömenden Flüssigkeit nach dem Stande der Technik benötigt einen verstellbaren Referenzspiegel, mit dem eine Tiefenschicht des Meßmediums zur Flußbestimmung selektiert wird. Um ein tiefenaufgelöstes Geschwindigkeitsprofil zu erhalten, muß dabei der Referenzspiegel mechanisch verschoben werden. Dieser Vorgang ist langsam, mechanisch störanfällig und erfordert hohen Justageaufwand. Die maxima­ le Meßtiefe ist durch das Verschieben des Spiegels begrenzt. Eine Auswertung der Doppler-Verschiebung ist bei Mehrfachstreuung nicht möglich.

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und eine tie­ fenaufgelöste Durchflußmessung mit elektronischer Tiefenstellung zu erreichen, die ohne mechanisch bewegte Spiegel auskommt. Es wurde erfindungsgemäß erkannt, daß dies mit einfachen optisch-elektronischen Mitteln und einfacher Handhabung möglich ist und damit eine kostensparende, praxisnahe Realisierung erstmals er­ möglicht wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der folgenden Ansprüche.

Durch die elektronische Tiefenschichtselektion kann ein Tiefenscan schneller als bei mechanischen Systemen durchgeführt werden. Desweiteren ist ein schneller Zugriff aus einzelnen interessierende Tiefenschichten möglich. Die maximale Meßtiefe kann durch den Abstand der Spektrallinien variiert werden. Durch Auswerten der doppler­ verbreiterten Rückstreuung kann der Durchfluß in einer Tiefenschicht bei streuen­ den Flüssigkeiten ermittelt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des tiefenselektiven Flußmeßsystems mit den wichtigsten elektrischen und optischen Komponenten,

Fig. 2 schematische Darstellung des zeitlich gemittelten Spektrums des mo­ dulierten Lasers und die zugehörige Kohärenzfunktion.

Ein Laser 1 mit einem durch Fig. 2 gegebenen Spektrum beleuchtet ein modifizier­ tes Michelson Interfererometer. Der eine Arm des Interferometers ist mit einem Spiegel 3 terminiert, der andere Arm mit dem Objekt 4. Das vom Spiegel und Ob­ jekt zurückreflektierte Licht wird beim Durchgang durch den Strahlteiler 2 überlagert und trifft auf den Detektor 5. In dem mit dem Spiegel abgeschlossenen Referenzarm des Interferometers befindet sich ein Frequenzschieber 6. Die Frequenz des ihn zweimal passierenden Lichtes wird um die Schiebungsfrequenz verschoben. Das Detektorsignal soll mit einem Mixer 7 mit einem Signal der Schiebungsfrequenz heruntergemischt werden. In einem nachgeschalteten Tiefpaß 8 werden die hoch­ frequenten Mischungsfrequenzen unterdrückt. Ist das vom Objekt zurückgesteuerte Signal dopplerverschoben, so erscheint diese Dopplerverschiebung auch in dem Signal nach dem Tiefpaß. Bei streuenden Flüssigkeiten und!oder streuenden ange­ henden Material entsteht statt einer dopplerverschobenen Linie ein Spektrum. Die Auswertung des Spektrums erfolgt nach dem für Laser-Doppler-Perfusion-Imaging üblichen Frequenzgewichtungsverfahren. Durch die Modulationseinheit 9 des La­ sers kann der Spektrallinenabstand variiert werden. Die Aufnahme des durch den Tiefpaß gefilterten Signals erfolgt mit Computerunterstützung 10. Dieser kann auch die Signalauswertung und Visualisierung übernehmen. Eine 2-Achsen Scaneinheit 11 verschiebt wahlweise das Objekt oder lenkt den Strahl lateral ab. Die Lasermodu­ lation 9 und Scaneinheit 11 können vom Computer 10 gesteuert werden.

Der Abstand der Spitzen der Kohärenzfunktion ist durch den Abstand der Spek­ trallinien des Lasers gegeben. Das Objekt wird nun so plaziert, daß alle zwischen Objekt und Spiegel auftretenden Laufzeitdifferenzen innerhalb des Eindeutigkeitsbe­ reich der Kohärenzfunktion liegen (siehe Fig. 2). Durch die Wahl des Spektrallinien­ abstandes kann die Position der Spitze deren Laufzeitdifferenz innerhalb des Ob­ jekt-Spiegel Abstandes liegt variiert werden. Nur Licht, das aus der selektierten Tie­ fenschicht stammt, ist interferenzfähig und kann zum Dopplerspektrum beitragen. Das in Fig. 2 skizzierte Spektrum kann durch eine modulierbare 3-Sektions-La­ serdiode erreicht werden. Dabei ist die Lasermomentanfrequenz proportional zum Modulationsstrom. Ein Multilinienspektrum wird durch stufenförmige Modulation er­ reicht, wobei die Modulationsfrequenz groß gegenüber der Dopplerverschiebungen sein muß.

Claims (8)

1. Meßsystem zur tiefenaufgelösten Bestimmung des dopplerverschobenen Spek­ trums des von einer streuenden Flüssigkeit zurückgestreuten Lichtes mit elektro­ nischer Tiefenschichtselektion durch einen Laser als kohärente Meßlichtquelle, einem optischen tomographischen Interferometrie-Aufbau, einem Detektorsystem und einer Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser mit einem steuerbaren Multilinienspek­ trum ein Interferometer, das mit einem Spiegel und dem Objekt abgeschlossen ist, beleuchtet und das dopplerverschobene Interferenzsignal je nach Einstellung des Multilinienspektrums selektiv ausgewertet und visualisiert wird.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Spektrallinien des Lasers va­ riert wird und dadurch verschiedene Tiefenschichten selektiert werden.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzschieber sich im Referenzweg vor dem Spiegel befindet und das frequenzverschobene Detektorsignal herunter­ gemischt wird.

4. Meßsystem nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt in einer und ! oder zwei Achsen lateral zum Strahl verschoben werden kann.

5. Meßsystem nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl in einer und/oder zwei lateralen Rich­ tungen abgelenkt werden kann um so das Objekt abzuscannen.

6. Meßsystem nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch modulierbarer Laser mit einem stu­ fen förmigen Modulationssignal moduliert wird, um ein Multilinienspektrum zu er­ zeugen.

7. Meßanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide oder wahlweise ein Modulationseingang eines 3-Sektionslaser mit einem stufenförmigen Modulationsstrom moduliert wird, dessen Stufenhöhe und Stufenzahl variiert werden kann.

8. Meßanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsignal spektral ausgewertet wird um dem Fluß und die Streuteilchengeschwindigkeit zu erhalten.