DE2606675A1 - Bewegliche, photometrische kugel - Google Patents

Description

• " Bewegliche, photometrische Kugel "
• Die Erfindung betrifft eine photometrische Kugel. Photometrische Kugeln dienen zur spektralen Untersuchung des Reflexions- bzw.
• Transmissionsverhaltens streuender Objekte. Z. n. können sie in vielen Bereichen der Medizin (Untersuchung der Lichteinwirkung auf Ilaut) und der Technik (Farbuntersuchung) eingesetzt werden0 Für die Wirkungsabläufe beim Auftreten optischer Strahlung (UV-, sichtbares Licht oder nahes Infrarot) auf Materie sind verschiedene Eigenschaften dieser Materie von Bedeutung. An streuenden Objekten tritt eine diffuse Reflexion - auch Remission genannt - auf.
• Die reflektierten bzw, transmittierten Strahlungsanteile, die verschiedene Richtungen besitzen, müssen durch eine spezielle Meßanordnung im Raumwinkel 2#sr erfaßt werden0 Dies geschieht durch eine strahlungsintegrierende photometrische Kugel /JAC'UEZ, J.A. and KUPPENHEIM,H.F.: Theory of the Integrating Sphere. J.Opt.
• Soc.Am. 45, 460 (1955); DIN 5033, Farbmessung Bl.7 ; HELBIG,E.: Grundlagen der Lichtmesstechnik. Geest & Portig, Leipzig 1972/.
• Bei den bisher bekannten Anwendungen der photometrischen Kugel war diese ein starrer, nicht beweglicher Teil der Meßanordnung.
• Zur Messung mußte man daher das zu untersuchende Objekt unter Einhaltung gewisser Bedingungen an der photometrischen Kugel befestigen. Bei Remissionsuntersuchungen an biologischen Objekten mußte man bis jetzt oft die Probe, z.B, Hautpartie einer Leiche, dem gesamten Objekt entnehmen /LINS,G,: Die Remissionsanalyse zur farbigen Charakterisierung der Leichenhaut. Beitr.gerichtl.
• Med., 24 (1968),162-166: LINS,G., KUTSCHERA,J.: Die farbemetrische Bewertung der Grünfäule der Leichenhaut im Rahmen der program -mierten Farbwertintegration. Zeitschrift f. Rechtsmedizin, 75 (1974), 201-212/. Dadurch war die Anwendungsmöglichkeit der Meßanordnung stark eingeschränkt. Außerdem treten dabei andere unerwSinschte Effekte (Flüssigkeitsverlußt im Gewebe usw.) auf.
• Zu ßichzwecken wurde entweder die Probe durch einen Standard ( Vergleichsnormal mit bekanntem Reflexionsfaktor) ersetzt, oder an die photometrische Kugel wurden getrennte Öffnungen für Probe und Standard angebracht, wobei der beleuchtende Strahl abwechselnd auf die Probe oder den Standard gerichtet wurde . Die Umschaltung des beleuchtenden Strahles zwischen Probe und Standard erfolgte bei einigen Anordnungen periodisch /LOFF,H.: Untersuchungen über die Genauigkeit des Zeiss-Farbmeßgerätes DMC 25, Tagungsbericht Internationale Farbtagung Color 69, Stockholm; LOFF,H.: Farbmessung mit optisch-elektronischen Hilfsmitteln.Elektrische Ausrüstung, Vogel-Verlag, 13, 5, (1972) /. Dei periodischer Umschaltung des beleuchtenden Strahles zwischen Probe und Standard ist aber der die Empfindliclilceit steigernde Einsatz eines Lock-in-Verstärkers nicht möglich.
• Die Aufgabe der Brfindung ist es , die oben erwähnten Nängel zu beseitigen und die Anwendungsmoglichkeiten der spektralen flemissionsanalyse durch Beweglichlceit der photometrischen Kugel und durch eine Steigerung der Meßempfindlichkeit zu erweitern. Erfindungsgemäß geschieht dies durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 Die photometrische Kugel ist iiber zwei flexible Lichtleiter mit der übrigen Meßapparatur (Quelle der optischen Strahlung) verbunden. Durch den Einsatz flexibler Lichtleiter wurde es möglich, die photometrische Kugel von dem starren Meßaufbau zu trennen.
• Dadurch spielen Art, Form und Abmessungen des Untersuchungsobjektes keine Rolle. So können z.B, an Menschen in vivo oder in vitro remissions- bzw. transmissionsanalytische Untersuchungen durchgeführt werden0 Probe und Standard werden gleichzeitig beleuchtet und die von beiden remittierten Strahlungsanteile werden gemeinsam von einem lhotodetektor erfaßt. Nach einer gemeinsamen Vorverstärkung werden Meßsignal (Reflexion von Probe) und Vergleichssignal (Reflexion vom Standard) durch zwei Lock-in-Verstärker voneinander getrennt. Durch die Verwendung von Lock-in-Verstärkern wird die Empfindlichkeit erheblich gesteigert.
• Durch die Beweglichkeit der photometrischen Kugel, durch die größere Empfindlichkeit der Meßanordnung und ihre Unempfindlichkeit gegenüber Fremdlicht ist ihr Einsatz auch unter normalen Laborbedingungen, bzw. in einem Operations- oder Sektionsraum möglich. Die Messungen können schnell und ohne größeren Aufwand durchgeführt werden.
• Die Anwendbarkeit der beweglichen photometrischen Kugel in vielen Gebieten der Medizin und Technik ist groß. Da die erfindung hauptsächlich für medizinische Zwecke entwickelt wurde, soll ein Anwendungsbeispiel aus diesem Gebiet aufgeführt werden.
• Das Reflexionsverhalten der menschlicher Haut gegeniiber elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarot-Gebiet ist in der Medizin von besonderem Interesse. Eine möglichst genaue Kenntnis des lteflexions-, bzw. Transmissions- und Absorptionsvermögens von biologischem Gewebe ist z.B. für die optimale Verwendung der Laserstrahlen in verschiedened medizinischen Bereichen notwendig.
• Aber nicht nur für den Lasereinsatz sind die oben genannten Koeffizienten von Geweben von großer Bedeutung. Es lassen sich z.fl. in der Gerichtsmedizin und Kriminalistik neue Ergebnisse durch Kenntnis des Reflexionsvermögens der Iraut erwarten.
• T3iologische proben sind im allgemeinen inhomogen, anisotrop und ihre Oberfläche kann bei den verwendeten Lichtwellenlängen nicht als eben angesehen werden. its tritt eine diffuse Reflexion (auch Remission genannt) auf. Die reflektierten Strahlungsanteile besitzen verschiedene Richtungen und werden durch eine photometrische Kugel im Raumwinkel 211sr erfaßt.
• Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Meßaufbau mit schematischer Darstellung der beweglichen photometrischen Kugel 9 und der Lock-in-Verstärker 16a, b nach der Erfindung.
• Die optische Strahlung einer Lichtquelle 1 wird mit dem Reflektor 2 und dem Kondensor 3 auf einen Monochromator 4 fokussiert. Dieser zerlegt mit Hilfe eines Prismas die Strahlung der weißen Lichtquelle 1 und liefert an seinem Ausgang die für die Messung benötigte monochromatische Strahlung einstellbarer Wellenlänge (400 nm bis 1100 nm). Diese Strahlung wird durch einen Strahlungsteiler 5 in zwei z.B, möglichst gleich große Strahlungsanteile geteilt und diese werden mit einem Chopper 6 jeweils mit verschiedener Frequenz zerhackt. Durch diese Lichtmodulation wird die ganze Anordnung unempfindlich gegen Fremd-und Störlicht und sie ermöglicht die Verwendung empfindlicher Lock-in-Verstärker 16a, b. Diese modulierten Lichtstrahlen werden mittels der Fokussiereinheiten 7a, b in die flexiblen Licht leiter 8a, b fokussiert. Die Enden der beiden Lichtleiter 8a, b sind unter bestimmten Winkeln an der photometrischen Hohlku -gel 9 befestigt (Abb. 2a, b, c).
• Durch die flexiblen Lichtleiter ist es möglich, die photometrische Kugel räumlich von der iibrigen Meßanordnung zu trennen, ein Vorteil, der bisher nicht erreichbar war.
• Die bewegliche photometrische Kugel besitzt fünf Öffnungen: zwei Oeffnungen 10, 11 für die einfallenden Strahlen (Lichtlei ter 8a, b), eine Öffnung 12 für die Probe 12a, eine öffnung 13 für den Standard 13a (Vergleichsnormal) und schließlich eine Öffnung 14 fiir den Photodetektor 14a. Diese Ilohlkugel ist innen vollkommen mit einer NgO-oder BaS04-Schicht beschichtet. Die Theorie der integrierenden photometrischen Kugel überschreitet den Rahmen dieses Ausführungsbeispiels und muß in der einschlägigen Literatur nachgelesen werden.
• Die Messung der spektralen Reflexionsverläufe in Abhängigkeit von der Wellenlänge erfolgt nach der Vergleichsmethode. Der Strahl aus einem der beiden Lichtleiter wird auf die Probe gerichtet, gleichzeitig wird der Strahl aus dem anderen Licht -leiter auf den Standard (MgO oder BaSO4) fokussiert. Die Reflexion des Standards ist annährend ideal diffus, sehr groß und bekannt. Die von der Probe und die von dem Standard reflektierten Strahlungen werden von dem Photodetektor 14a erfaßt und nach gemeinsamer Vorverstärkung 15 von zwei selektiven Lock-in-Verstärkern 16a, b angezeigt. Quotient dieser beiden Meßwerte ist der gesuchte wellenlängenabhängige Reflexionsfaktor; Diese Reflexionswerte können entweder für alle eingestellten Wellenlängen der einfallenden Strahlung direkt am Instrument 17 (Quotienbildung) abgelessen oder zur Weiterverarbeitung einer Datenverarbeitungsanlage übergeben werden.
• Zur Überprüfung der Anwendbarkeit der Apparatur mit bewegli cher photometrischer Kugel wurden mehrere Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse einer Messung aus dem Bereich der Ge -richtsmedizin zeigt Abbildung 3. In diesem Bild sind die Reflexionsverläufe von fünf verschiedenen Hautregionen A - E eines 32-jährigen Blannes dargestellt. Todesursache: Hyper -glykämisches oma, Untersuchung fünf Tage pm. Der flefexionsfaktor steigt von circa 10 % bei = 400 nm auf 40-50 % bei k= 700 - 800 nm an und fällt dann langsam zum Infrarot-Bereich ab. Es wurde an Oberarm (Kurve A), Oberschenkel (Kurve n), lücken (Kurve C), Brust (Kurve D) und Bauch (Kurve E) gemessen. Ausgeprägte Reflexionsminima der Absorptionsbanden von Oxy-IIb ( #= 415, 541, 576 nm) finden sich im J3ereich der Totenflecken am Rücken (Kurve C); hier sind auch die größten Differenzen zu nicht im Bereich der Ilypostase liegenden Körperregionen feststellbar. Die Bedeutung von Messungen der hier vorliegenden Art zeigt auch die Abbildung 4. TTier war das Messobjekt die Leiche einer 67-jährigen Frau, die nach mehrfacher Traumatisierung an der Unfallstelle verstarb. Die Messungen wurden vier Tage pm. durchgeführt, die Hautregionen (Kurven A - E) waren die gleichen wie in abbildung 3.
• Ein Beispiel für eine dermatologische in vivo Applikation der spektralen Remissions-, bzw. Transmissionsanalyse mit beweglichor photometrischer Kugel zeigt die Abbildung 5. ei einer 0,3 mmdünnen Epidermisschicht wurden der Reflexionsfaktor R und der Transmissionsfalctor T als Funktion der Wellenlänge gemessen. Aus diesen beiden Messungen wurden der innere Transmissionskoeffizient TIn' sowie der ICxtinktionslcoeffizient Y berechnet. Der Reflexionsfaktor ist nahezu wellenlängeungenunabhän gig und beträgt etwa 20 %. Die Transmissionsfaktoren T und T1n (innercr Transmissionsfaktor) nehmen mit wachsender Wellenlänge zu, entsprechend nimmt der Extinktionskoeffizient γ mit wach -sender Wellenlänge ab.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. Patentansprüche 1) Photometrische Kugel zur spektralen Untersuchung (temissions- und Transmissionsanalyse,Farbmessung) streuender Objelcte im sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich der opti -schen Strahlung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Kugel (9) über zwei flexible Lichtleiter (8a, b) mit der iibrigen Messanordnung verbunden und dadurch beweglich ist, daß die optische Strahlung einer Lichtquelle (1) mit dem Reflektor (2) und dem Kondensor (3) auf einen Elonochromator (4) fokussiert wird, dessen monochromatische Ausgangsstrahlung durch einen Strahlungsteiler (5) in zwei Anteile aufgespalten wird die durch eine Fokussiereinheit (7a, b) in die beiden flexiblen Lichtleiter (8a,b) gerichtet werden, daß das Licht des einen Lichtleiters auf die Probe (12a) und das des anderen auf den Standard (13a) fällt und die reflektierten Strahlungsanteile gemeinsam von einem Photodetektor (14a) detektiert und von einem Vorverstärker (15) verstärkt werden 2) Vorrichtung nach anspruch 1, d a d u r c ii g e k e n n z e i c h n e t daß die beiden Lichtstrählen hinter dem Strahlungsteiler (5) mit lIilfe eines Choppers (6) mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden, damit bei gleichzeitiger Beleuchtung der Probe (12a) und des Standarts (13a) die gemeinsam detektierten und vorverstärkten Signalanteile voneinander getrennt werden können, 3) Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der beiden Signalanteile zwei Lock-in-Verstärker (16a, b) verwendet werden und daß dadurch außerdem eine erhebliche Steigerung der Empfindlichlceit gegenüber den bisher bekannten Elessverfahren erzielt wird.