DE3135070A1

DE3135070A1 - Method and device for detecting and imaging objects and structures in enveloping scattering media by means of optical radiation

Info

Publication number: DE3135070A1
Application number: DE19813135070
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Dipl.-Phys. Halldorsson; John Dr. Phys. 8000 München Langerholc
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: G Rodenstock Instrumente GmbH
Priority date: 1981-09-04
Filing date: 1981-09-04
Publication date: 1983-03-24
Also published as: DE3135070C2

Abstract

The invention relates to a method and device for detecting and imaging objects and structures in enveloping scattering media by means of optical radiation. The medium is scanned by a sharply focused light beam (2). The light power (Pb) backscattered from the medium is detected in a receiver (17) and subsequently recorded along the scanning path. Objects (4) hidden in the medium (1) are detected by differential change in the received light power. Objects can be detected with respect to their extent and the depth of their position in the medium. It is preferred to use focused laser light having one or more specific wavelengths as the light. <IMAGE>

Description

Verfahren und Einrichtung zum Erfassen und Abbilden vonMethod and device for capturing and mapping

Objekten und Strukturen in umhüllenden streuenden Medien mittels Lichtstrahlung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen und Aufnehmen von Objekten und Strukturen in umhüllenden streuenden Medium mittels Lichtstrahlung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.Objects and structures in enveloping scattering media by means of light radiation The invention relates to a method and a device for detecting and Recording of objects and structures in an enveloping scattering medium by means of light radiation according to the preamble of the independent claims.

Die Erkennung von Objekten und Strukturen, die von einem streuenden und Lichtstrahlung schwach absorbierenden Medium umgeben sind, stellt in den verschiedensten technischen Bereichen eine schwierige Aufgabe dar. Als Beispiele seien genannt: in der Verkehrstechnik das Auffinden von größeren Gegenständen im Nebel, in der Medizin die Beobachtung von morphologischen und anatomischen Strukturen in Organen und der Periphere des menschlichen Körpers und in der Werkstofftechnologie das Aufspüren von Rissen und Inhomogenitäten in lichtleitenden aber nicht transparenten Werkstoffen.The detection of objects and structures by a scattering and light radiation are surrounded by weakly absorbing medium, poses in the most diverse a difficult task in technical areas. Examples are: in traffic engineering, finding larger objects in the fog, in the Medicine the observation of morphological and anatomical structures in organs and the periphery of the human body and in materials technology the detection of cracks and inhomogeneities in light-conducting but non-transparent ones Materials.

Zur Abbildung von Objekten oder Strukturen, die von optisch streuenden Medien umhüllt sind, werden optische Durchlichtverfahren verwendet, bei denen das Objekt bzw. die Struktur an den Schattenumrissen, die er in dem austretenden Streulicht auf der der Eintrittsseite gegenüberliegenden Seite des Mediums hinterläßt, zu erkennen ist. Derartige Durchlichtverfahren werden z.B. in der Medizin angewandt, um den Verlauf von Blutgefäßen in Gewebeschichten zu bestimmen Derartige Durchlichtverfahren werden ansonsten auch zur Bestimmung der Absorption eines Mediums herangezogen, wobei in diesem Medium z.B. streuende oder absorbierende Partikel vorhanden sind. Durch diese Absorptionsmessung kann dann die Konzentration der in dem Medium vorhandenen Patikel bestimmt werden. Zum Stande der Technik für Absorptionsmessungen seien z.B. die DE-AS 27 51 365 und die DE-OS 29 33 066 erwähnt.For mapping objects or structures that are optically scattering Media are encased, optical transmitted light methods are used in which the Object or the structure on the shadow outlines, which he in the emerging scattered light leaves behind on the side of the medium opposite the inlet side is. Such transmitted light methods are used, for example, in medicine to To determine the course of blood vessels in tissue layers are otherwise also used to determine the absorption of a medium, e.g. scattering or absorbing particles are present in this medium. This absorption measurement can then determine the concentration of the Particles are determined. For the state of the art for absorption measurements, e.g. DE-AS 27 51 365 and DE-OS 29 33 066 mentioned.

Unabhängig davon, ob Durchlichtverfahren zum Erfassen von Objekten oder zur Bestimmung der Parti};el-Ronzentration in einem streuenden Medium verwandt werden, muß in jedem Fall das Medium von beiden Seiten zugängig sein. Dies ist jedoch oftmals nicht möglich. Denkt man z.B. an Anwendungen in der Medizin, bei denen im Gewebe liegende Blutgefäße detektiert werden sollen, so sind die zu untersuchenden Gewebeschichten vielfach optisch zu dicht, um von den Licfttstrahl durchstrahlt werden zu können. Durchlichtverfahren sind in diesem Falle garnicht möglich.Regardless of whether the transmitted light method is used to capture objects or used to determine the particle concentration in a scattering medium the medium must always be accessible from both sides. However, this is often not possible. If one thinks, for example, of applications in medicine, where im Blood vessels lying in the tissue are to be detected, so are those to be examined Tissue layers are often optically too dense to be penetrated by the light beam to be able to. In this case, transmitted light methods are not possible at all.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, ein Verfahren und eineEinrichtung zu schaffen, mit denen das Erfassen und Aufnehmen von Objekten und Strukturen in einem umhüllenden streuenden Medium auch mit einer Auflichtbeleuchtung möglich ist.This is where the invention, on which the object is based, comes in To provide a method and a device for enabling acquisition and recording of objects and structures in an enveloping scattering medium is also possible with incident light.

Die Erfindung geht hierbei von folgender Erkenntnis aus: fällt ein fein gebündelter Lichtstrahl auf ein streuendes Medium, so wird in jedem Punkt auf seiner Spur durch das Medium ein Teil der ankommenden Lichtwelle absorbiert, ein Teil gestreut. Je nadiGröße, Beschaffenheit und Dichte der Streuzentren und des Polarisationszustandes des einfallenden Lichtes ist die Streuung vorwiegend vorwärts, rückwärts oder isotrop gerichtet. Bei den üblicherweise vorhanden und hier behandelten sehr dichten streuenden Medium gilt mit guter Nährung das Modell, das die Streuung unabhängig vom Polarisationszustand des Lichtes isotrop ist, daß aber ein gewisser Restanteil der Strahlung die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung beigehält. Ausgehend von diesem Modell ergibt sich folgende Verteilungnder einfallenden Strahlung: der Lichtstrahl wird durch die Streuung mit der Tiefe stark aufgeweitet und der Restanteil der um die Lichtstrahlachse konzentrierten Leistung fällt durch die Seiten- und Rückstreuung stark ab. Ab einer Tiefe, die der Extinktionslänge der Rest- oder Vorwärts strahlung in dem Medium entspricht, breitet sich die Strahlung im wesentlichen diffus in der Achsenrichtung aus. Vorausgesetzt, daß die Absorption in dem Medium gering ist, wird ein erheblicher Teil der eindringenden Strahlleistung aufgrund der Mehrfachstreuung aus verschiedenen Tiefen zurück an die Oberfläche geleitet. Um den Auftreffpunkt des einfallenden Lichtstrahles bildet sich aufgrund der Rückstreuung ein sogenannter Streuhof in Form einer hell beleuchteten Kreisscheibe aus. In der Zeitschrift Applied Optics, Bd. 18, Seiten 2286 ff, 1979, ist die Verteilung der einfallenden Gesamtlichtleistung P0 auf die einzelnen Strahlkomponenten aufgezeigt und zwar die Reststrahlleistung Pr, die vorwärts gestreute Leistung Pf, die aus dem Medium zurückgestreute Leistung Pb und die im Medium absorbierte Leistung Pa. . Diese Verteilung ist für unterschiedliche Mediumdicken angegeben. Die Abhängigkeit der zurückgestreuten Lichtleistung von der Dicke bzw. Tiefe des Mediums kann nun zum Erfassen und Aufnehmen von Objekten bzw. Strukturen in umhüllenden Medien ausgenutzt werden.The invention is based on the following knowledge: occurs finely bundled light beam on a scattering medium, it will appear in every point its track through the medium absorbs part of the incoming light wave Partly scattered. Depending on the size, nature and density of the scattering centers and the State of polarization of the incident light, the scattering is predominantly forward, directed backwards or isotropically. With those usually present and treated here very dense scattering medium applies with good approximation the model that the scattering is isotropic regardless of the polarization state of the light, but that is a certain one Remaining portion of the radiation retains the original direction of propagation. Outgoing From this model the following distribution of the incident radiation results: the The light beam is strongly widened by the scattering with the depth and the remaining part the power concentrated around the light beam axis falls through the side and Backscattering strongly. From a depth equal to the extinction length of the residual or forward corresponds to radiation in the medium, the radiation spreads essentially diffusely in the axial direction. Provided that the absorption in the medium is low a significant part of the penetrating beam power is due to the multiple scattering returned to the surface from different depths. Around the point of impact of the incident light beam, a so-called one forms due to the backscattering Streuhof in the form of a brightly lit circular disc. In Applied magazine Optics, Vol. 18, pages 2286 ff, 1979, is the distribution of the total incident light power P0 shown on the individual beam components, namely the remaining beam power Pr, the forward scattered power Pf, the backscattered power from the medium Pb and the im Medium absorbed power Pa. . This distribution is given for different medium thicknesses. The dependence of the backscattered Light output from the thickness or depth of the medium can now be used to detect and record be exploited by objects or structures in enveloping media.

Ausgehend von der geschilderten Erkenntnis und den damit zusammenhängenden Erwägungen ist die oben angegebene Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den kennzeichnenden Teilen der selbständign Patentansprüche. angegebenen Merkmale gelöst.Based on the knowledge described and the related Considerations is the above object according to the invention by the in the characterizing parts of the independent claims. specified features solved.

Die Erfindung macht sich demnach die Erkenntnis zunutze, da6 die Intensitätsverteilung in dem Streuhof bzw. sein mittlerer Durchmesser sowie die Gesamtleistung des rückgestreuten Lichts eine starke Abhängigkeit von der Tiefe bzw. Dicke des streuenden Mediums aufweist. Diese Parameter sind ein empfindliches Maß der Tiefe bzw. der Dicke des Mediums. Aus der Schwankung und geometrischen Verteilung des aus der Tiefe des Mediums an die Oberfläche zurückgestreuten Lichts kann dann ein Bild von Objekten unter der Oberfläche hergestellt werden. Hierzu wird das Medium mit einem gebündelten Lichtstrahl, dern das Medium eindringt, längs eines Weges abgetastet. Die um den Eintrittsort der Lichtstrahlung aus dem Medium im Bereich des Streuhofs wieder austretende Lichtmenge wird gemessen und längs des Abtastweges aufgezeichnet. Dann können die Aufzeichnungsstellen, bei denen die Lichtmenge bzw. Lichtleistung von der mittleren Lichtleistung zu beiden Seiten des Abtastweges differieren, einem Objekt eindeutig zugeordnet werden. Liegt z.B. ein stark absorbierender Körper in Zielrichtung des auffallenden Lichtstrahles in dem Medium, so wird bei der Abtastung im Bereich dieses von dem Medium umhüllten Körpers die rückgestreute Lichtleistung stark abfallen, so daß sie differentiell erkennbar ist. Ist der Körper hingegen stark reflektierend, so wird die gesamte zurück- gestreute Lichtleistung gegenüber dem Fall der ungestörten Streuung stark erhöht und ist somit ebenfalls differentiell erkennbar.The invention therefore makes use of the knowledge that the intensity distribution in the litter yard or its mean diameter as well as the overall performance of the backscattered Light has a strong dependence on the depth or thickness of the scattering medium having. These parameters are a sensitive measure of the depth or thickness of the Medium. From the fluctuation and geometric distribution from the depth of the medium Light scattered back to the surface can then form an image of objects underneath of the surface. To do this, the medium is bundled with a Light beam penetrating the medium, scanned along a path. The one around the Entry point of the light radiation exiting again from the medium in the area of the scattering area The amount of light is measured and recorded along the scan path. Then they can Recording locations in which the amount of light or light output from the middle Light output differ on both sides of the scanning path, one object clearly be assigned. For example, if there is a strongly absorbent body in the target direction of the incident light beam in the medium, so when scanning in the area of this the backscattered light output from the body enveloped by the medium drops sharply, so that it is differentially recognizable. If, on the other hand, the body is highly reflective, so the entire back scattered light output compared to the The case of undisturbed scattering is greatly increased and is therefore also differential recognizable.

Wesentlich hierbei ist, daß die Oberfläche des Mediums mit einem scharf gebündelten. Lichtstrahl, z.B. einem Låser-Strahl punktweise abgetastet wird. Dies hat den Vorteil, daß die einzelnen Streuhöfe, seien sie durch ungestörte Streuung erzeugt oder durch ein Objekt beeinflußt, zeitlich nacheinander getrennt entstehen und damit einzeln, reihenweise detektiert und vermessen werden können. Bei einer flächenhaften Beleuchtung eines stark streuenden Mediums wäre es aussichtslos,Dbjekte zu erkennen, die sogar nur flach unter der Oberfläche des Mediums liegen. Dies liegt daran, daß von den einzelnen Lichtstrahlen der Lichtquelle , die auf die Oberfläche des Mediums fallen, jeder einen Streuhof erzeugt, und daß der Kontrast, der durch die Unterschiede in der zurückgestreuten Gesamtleistung über dem Objekt gegeben ist, durch die gleichzeitige überlagerung der Streuhöfe des Strahlenkollektivs verwischt wird.It is essential here that the surface of the medium is sharp bundled. Light beam, e.g. a laser beam, is scanned point by point. this has the advantage that the individual litter yards are due to undisturbed spreading generated or influenced by an object, occur separately in time and thus can be detected and measured individually, in rows. At a Extensive lighting of a strongly scattering medium would be hopeless to objects to recognize, which are even only flat under the surface of the medium. This lies Remember that from the individual rays of light from the light source that hit the surface of the medium, each creates a scattering zone, and that the contrast that comes through given the differences in the total backscattered power over the object is blurred by the simultaneous superimposition of the scatter zones of the radiation collective will.

Eine Einrichtung zum Erfassen und Aufnehmen von in einem Medium verborgenmObjekt weist vorzugsweise einen Laser auf, dessen gebündelter Lichtstrahl in einer Abtastbewegung über die Oberfläche des Mediums geführt wird. Dies kann z.B. mit Hilfe einer Abtastspiegelanordnung aus zwei um versdiedene Achsen rotierenden Ablenkspiegeln geschehen. Die rückgestreute Lichtstrahlung kann über die gleiche Abtastspiegelanordnung und einen Duplexer-Spiegel auf einen Empfänger geleitet werden, der die rückgestreute Lichtmenge mißt. Diese wird anschließend in Abhängigkeit des Abtastweges aufgezeichnet und entsprechend den oben erwähnten Kriterien ausgewertet, Die Aufzeichnungsvorrichtung ist z.B. ein Bildspeicher-Sichtgerät, auf dem das Bild synchron mit der Punktabtastung auf gezeichnet wird.A device for detecting and recording objects hidden in a medium preferably has a laser whose bundled light beam in a scanning movement is passed over the surface of the medium. This can be done, for example, with the aid of a scanning mirror arrangement happen from two deflecting mirrors rotating around different axes. The backscattered Light radiation can be transmitted through the same scanning mirror arrangement and a duplexer mirror be directed to a receiver that measures the amount of backscattered light. These is then recorded depending on the scanning path and accordingly evaluated the above-mentioned criteria. The recording device is e.g. an image memory viewer on which the image is recorded in synchronism with the point scanning is drawn.

Bei der bisherigen Darlegung des Erfindungsgedankens wurde vorausgesetzt, daß die betrachteten streuenden Medien eine wohl definierte glatte Oberfläche haben und daß eine homogene Verteilung der Streuzentren im Medium vorliegt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, wie etwa die Oberfläche und Dichteschwankungen von beweglichen Medien wie Nebel bezeugen. Größere Inhomogenitäten in solchen Medien und Oberflächenunebenheiten beeinflussen die optische Rückstreuung in ähnlicher Weise wie im Medium verborgene absorbierende oder reflektierende Objekte und Strukturen und würden daher bei dem bisher vorgeschlagenen Verfahren die gezielte Bilddarstellung der Objekte und Strukturen empfindlich stören.In the previous presentation of the idea of the invention, it was assumed that that the scattering media considered have a well-defined smooth surface and that there is a homogeneous distribution of the scattering centers in the medium. However, this is not always the case, such as the surface and density fluctuations of moving Media such as fog attest. Larger inhomogeneities in such media and surface unevenness affect the optical backscattering in a similar way to those hidden in the medium absorbent or reflective objects and structures and would therefore be used in the previously proposed method the targeted image display of the objects and structures sensitive to disturb.

Der weitere Erfindungsgedanke, der dieser Verfahrensverbesserung zugrundeliegt, ist von der Erkenntnis abgeleitet, daß viele streuende Medien mit inhomogener Dichte über weite spektrale Bereiche einer optischen Strahlung ähnliches Absorptions- und Streuverhalten aufweisen. Dies ist z.B. für Wassernebel im Bereich von 400 nm bis 2000 nm gegeben. Daß der Streuquerschnitt dieser Medien in weiten Bereichen im wesentlichen unverändert ist, liegt darin begründet, daß die Streuzentren wesentlich größer sind als die Wellenlänge des Lichtes im sichtbarenund nahen Infrarotbereich, und daß zudem der Brechungsindex über diesen Wellenlängenbereich annähernd konstant ist.The further inventive concept on which this process improvement is based, is derived from the knowledge that many scattering media have an inhomogeneous density Absorption and radiation similar to optical radiation over wide spectral ranges Have scattering behavior. This is e.g. for water mist in the range from 400 nm to 2000 nm given. That the scattering cross-section of these media is essentially over a wide range is unchanged, is due to the fact that the scattering centers are much larger as the wavelength of light in the visible and near infrared, and that In addition, the refractive index is approximately constant over this wavelength range.

Dies bedeutet im Hinblick auf das Aufzeichnungsverfahren, daß in dem genannten Spektralbereich, unabhängig von der Wellenlänge der Lichtstrahlung z.B. des Lasers, die Streuung sowohl qualitativ wie quantitativ die gleicheVerteilung in dem Medium bewirkt, sofern keine Objekte in dem Medium verborgen sind, die spektralspezifisch absorbieren. Insbesondere ist die Streuverteilung bei Dichteschwankungen im Medium von der Wellenlänge unabhängig. Der Verlauf der Oberflächenabsorption der meisten festen Objekte außer ganz weißen oder schwarzen Körpern, ist aber im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich keineswegs konstant, sondern weist je nach Farbtönung des Objektes starke Schwankungen auf.In terms of the recording method, this means that in the mentioned spectral range, independent of the wavelength of the light radiation e.g. of the laser, the scattering has the same distribution both qualitatively and quantitatively causes in the medium, provided that no objects are hidden in the medium, the spectrally specific absorb. In particular, there is the scatter distribution in the event of density fluctuations in the medium independent of the wavelength. The course of surface absorption of most solid objects other than completely white or black bodies, but is in the visible or near infrared range by no means constant, but points depending on The color of the object fluctuates strongly.

Um trotz der Inhomogenität eindeutige Zuordnungen der Meßsignale zu Objekten oder Strukturen zu erhalten, wird gemäß der Erfindung das Medium mit zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abgetastet, wobei die Lichtstrahlen in das Medium am gleichen Ort und in gleicher Richtung eintreten.In order to have clear assignments of the measurement signals despite the inhomogeneity Obtaining objects or structures is, according to the invention, the medium with two Light beams of different wavelengths are scanned, the light beams enter the medium at the same place and in the same direction.

Die rückgestreute Lichtstrahlung wird anschließend in die beiden Wellenlängenanteile getrennt und auf zwei separate Detektoren weitergeleitet. Die Meßsignale der Detektoren werden auf Schwankungen der Ausgangsleistung der Lichtquellen, z.B.The backscattered light radiation is then divided into the two wavelength components separated and forwarded to two separate detectors. The measuring signals of the detectors are sensitive to fluctuations in the output power of the light sources, e.g.

der Laser, korrigiert und gegenüber Unterschieden in der mittleren Ausgangsleistung der beiden Laser und der Detektoren kalibriert. Anschließend wird für jeden Bildpunkt die Differenz der Signale bei beiden Wellenlängen gebildet. Aufgrund der identischen Abtastgeometrie und des gleichen Streuverhaltens des Mediums bei den beiden Wellenlängen ist das Differenzsignal unabhängig davon, ob das Medium eine wohl definierte Oberfläche hat oder nicht. Im Falle einer das Medium abgrenzenden Oberfläche ist das Differenzsignal sowohl von den Oberflächenkonturen als auch von Inhomogenitäten wie Dichteschwankungen und Löchern im Inneren des Mediums unabhängig.the laser, corrected and opposed differences in the mean Output power of the two lasers and the detectors calibrated. Then will the difference between the signals at both wavelengths is formed for each pixel. Due to the identical scanning geometry and the same scattering behavior of the medium at the two wavelengths, the difference signal is independent of whether the medium has a well-defined surface or not. In the case of a delimiting the medium Surface is the difference signal from both the surface contours and from Inhomogeneities such as density fluctuations and holes in the interior of the medium are independent.

Bei idealen Bedingungen ist dann das Differenzsignal Null.Under ideal conditions, the difference signal is then zero.

Geringe Unterschiede, die sich ergeben wegen eventueller Unterschiede der Absorption und Streuung in dem Medium bei den beiden Wellenlängen oder in der Meßgeometrie (z.B. unterschiedliche Transmission im Sende- bzw. Empfangskanal, unterschiedliche Strahldivergenz, unterschiedliches Gesichtsfeld , unterschiedliche Detektorempfindlichkeiten etc.), die nicht mit den vorhin erwähnten Kalibrierungsmaßnahmen auszuschalten sind, können nachträglich als Offset-Signal er- kannt und mittels üblicher elektronischer Verfahren eliminiert werden.Slight differences that arise because of possible differences the absorption and scattering in the medium at the two wavelengths or in the Measurement geometry (e.g. different transmission in the transmit or receive channel, different Beam divergence, different field of view, different detector sensitivities etc.), which cannot be switched off with the calibration measures mentioned above, can subsequently be used as an offset signal knows and means of usual electronic processes can be eliminated.

Bei der Bilddarstellung mit einem Zwei-Wellenlängenverfahren kann ohne weitere Signalauswertung das Differenzsignal zur weiteren Verarbeitung verwendet werden. Der weitere Prozeßablauf zur Aufzeichnung von verborgenen Objekten oder Strukturen ist dann identisch mit dem, der oben zu den Verfahren mit Lichtstrahlung einer Wellenlänge beschrieben worden ist.When displaying images with a two-wavelength method, the difference signal is used for further processing without further signal evaluation will. The further process flow for the recording of hidden objects or Structures is then identical to that described above for the method with light radiation of a wavelength has been described.

EinerErweiterung des Zwei-Wellenlängenverfahrens zu einem multispektralen Bildaufnahmeverfahren mit mehr als zwei unterschiedlichen Wellenlängen und entsprechender Anzahl von Empfangskanälen stehen grundsätzlich keine technischen Hindernisse im Wege; solche Verfahren können vor allem für verschiedene diagnostische Zwecke in der Medizin verwendet werden. Die einzelnen Spektralkomponenten können je nach dem spezifischen Absorptionsverlauf der zu detektierenden Objekte in unterschiedlichen Verhältnissen, z.B. nach bekannten Bildauswertungsverfahren der Fernerkundungstechnik, on-line vor der Bilddarstellung rechnerisch ausgewertet werden.An extension of the two-wavelength method to a multispectral one Image recording method with more than two different wavelengths and corresponding There are basically no technical obstacles in the number of reception channels Ways; Such procedures can mainly be used for various diagnostic purposes in used in medicine. The individual spectral components can depending on the specific absorption curve of the objects to be detected in different Conditions, e.g. according to known image evaluation methods of remote sensing technology, can be mathematically evaluated on-line before the image is displayed.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der die. Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses der Restleistung, der absorbierten Leistung, der vorwärts und rückwärts gestreuten Leistung in einem biologischen Gewebe als streuendes Medium in Abhängigkeit von der Gewebedicke bei Bestrahlung des Gewebes mit Laser-Licht; Figuren 2A und B die Intensitätsverteilung des Rückstreulichtes bei verschiedenen Dicken des streuenden Mediums; Figur 3 die Intensitätsverteilung des Rückstreulichtes im Falle eines im Medium verborgenen absorbierenden Objektes Figur 4A eine schematische Darstellung einer Abtastung eines streuenden Mediums, in dem en Objekt verborgen ist und der aufgezeichneten Lichtleistung längs des Abtastweges für den Fall, daß das verborgene Objekt einen wesentlich größeren Durchmesser als der gebündelte Lichtstrahl aufweist; Figur 4B eine schematische Darstellung einer Abtastung eines streuenden Mediums, in dem ein Objekt verborgen ist und der aufgezeichneten Lichtleistung längs des Abtastweges für den Fall, daß das verborgene Objekt einen Durchmesser kleiner oder maximal gleich dem Durchmesser des Lichtstrahls aufweist; Figur 5 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Bildaufnahme von in einem streuenden Medium verborgenen Objekten mit Hilfe eines Lasers; Figur 6A eine schematisch dargestellte erste Ausführungsform für einen Empfänger der in Figur 5 dargestellten Einrichtung; Figur 6B eine zweite Ausführungsform eines Empfängers für die in Figur 5 dargestellte Einrichtung; Figur 7 ein Diagramm zur Darstellung differentieller Änderungen am Intensitätsprofil des um den Eintrittsort der Lichtstrahlung liegenden durch die Rückstreuung verursachten Streuhofes bei ungestörter und bei durch ein verborgenes Objekt gestörter Streuung; Figur 8 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Bildaufnahme von in einem streuenden Medium verborgenen Objekte mit Hilfe von zwel Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge.Further refinements and advantages of the invention emerge from the subclaims in connection with the following description in which the. Invention based on the drawing is explained in more detail. The drawing shows: FIG. 1 a diagram to show the ratio of the remaining power, the absorbed power, the forward and backward scattered power in a biological tissue called scattering Medium as a function of the tissue thickness when the tissue is irradiated with laser light; characters 2A and B show the intensity distribution of the backscattered light at different thicknesses of the scattering medium; Figure 3 shows the intensity distribution of the backscattered light in In the case of an absorbent object hidden in the medium, FIG. 4A is a schematic Representation of a scan of a scattering medium hidden in the object and the recorded light power along the scanning path in the event that the hidden object has a much larger diameter than the bundled light beam having; FIG. 4B shows a schematic representation of a scanning of a scattering Medium in which an object is hidden and the recorded light output along of the scanning path in the event that the hidden object is one diameter smaller or at most equal to the diameter of the light beam; Figure 5 is a schematic Representation of a device for recording images of objects hidden in a scattering medium Objects with the help of a laser; FIG. 6A shows a schematically illustrated first embodiment for a receiver of the device shown in Figure 5; Figure 6B a second Embodiment of a receiver for the device shown in Figure 5; figure 7 is a diagram showing differential changes in the intensity profile of the around the point of entry of the light radiation caused by the backscatter Scattering area with undisturbed scattering and with scattering disturbed by a hidden object; FIG. 8 shows a schematic representation of a device for recording images from in objects hidden in a scattering medium with the help of two different beams of light Wavelength.

In Figur 1 ist aufgezeichnet, wie sich die in eine Gewebeprobe eingestrahlte Leistung Po eines-Laser-Lichtstrahles in Abhängigkeit der Dicke d der Gewebeprobe verteilt auf die Restleistung Pres' d.h. die in der entsprechenden Gewebetiefe noch empfangene Leistung des ursprünglichen Lichtstrahls, auf die in der Gewebeprobe absorbierte Leistung Pabs' auf die vorwärts gestreute Leistung Pf und die rückwärts gestreute Leistung Pb. Aus diesem Schaubild geht hervor, daß die rückwärts gestreute Leistung Pb ein empfindliches Maß für die dicke bzw. Tiefe der Gewebeprobe bzw. allgemein eines streuenden Mediums darstellt. Die gesamte rückwärts gestreute Leistung Pb ist im Bereich des sogenannten Streuhofes um den Eintrittsort des gebündelten Laserstrahls konzentriert.In FIG. 1 it is recorded how the irradiated into a tissue sample Power Po of a laser light beam as a function of the thickness d of the tissue sample distributed over the remaining power Pres' i.e. that still in the corresponding tissue depth received power of the original light beam on that in the tissue sample absorbed power Pabs' on the forward scattered power Pf and the backward scattered power Pb. From this graph it can be seen that the backward scattered Power Pb a sensitive measure for the thickness or depth of the tissue sample or generally represents a scattering medium. The total backward scattered power Pb is in the area of the so-called Streuhof around the entry point of the bundled Concentrated laser beam.

In Figur 2 ist die Intensitätsverteilung der rückwärts gestreuten Lichtleistung innerhalb des Streuhofes S für verschiedene Dicken des bestrahlten -Mediums dargestellt . In Figur 2A wird ein verhältnismäßig dickes Medium 1 von einem gebündelten Laserstrahl 2 senkrecht zur Oberfläche des Mediums beleuchtet und tritt im Bereich 3 in das Medium ein.In Figure 2, the intensity distribution is the backscattered Light output within the scattering area S for different thicknesses of the irradiated -Medium shown. In Figure 2A, a relatively thick medium 1 of a focused laser beam 2 illuminated perpendicular to the surface of the medium and enters the medium in area 3.

Der Streuhof S wird als verhältnismäßig große Kreisscheibe auf der Oberfläche des Mediums abgebildet, wobei sich die Intensität der zurückgestreuten Lichtstrahlung Pb im Art einer Glockenkurve über den Bereich des Streuhofes verteilt. Der Streuhof hat in diesem Falle etwa den 2 1/2-fachen Durchmesser der Dicke d des Mediums.The Streuhof S is a relatively large circular disc on the Surface of the medium mapped, with the intensity of the backscattered Light radiation Pb in the manner of a Bell curve over the area of the Streuhofes distributed. In this case, the litter yard is about 2 1/2 times the diameter the thickness d of the medium.

In Figur 2B wird von dem Laserstrahl 2 mit gleicher Leistung P0 das gleiche Medium 1, jedoch jetzt mit geringerer Dicke d' bestrahlt, wobei diese Dicke d' etwa dem halben Wert der Dicke d gemäß Figur 2A entspricht. Der Durchmesser des hier erzeugten Streuhofes S' ist wiederum etwa 2 1/2-mal so groß wie die Dicke d' des Mediums, jedoch ist der Durchmesser des Streuhofes S' kleiner als derjenige des Streuhof es S, und zwar etwa um das Verhältnis der Dicken d-d'. Außerdem ist der Maximalwert der rückwärts gestreuten Lichtleitung Pb entsprechend dem Diagramm in Figur 1 kleiner als der Maximalwert in Figur 2A.In Figure 2B, the laser beam 2 with the same power P0 same medium 1, but now irradiated with a smaller thickness d ', this thickness d 'corresponds to approximately half the value of the thickness d according to FIG. 2A. The diameter of the here generated scattering area S 'is again about 2 1/2 times as large as the thickness d' of the medium, but the diameter of the scattering area S 'is smaller than that of the Streuhof es S, namely by approximately the ratio of the thicknesses d-d '. Also is the maximum value of the backward scattered light pipe Pb according to the diagram in Figure 1 smaller than the maximum value in Figure 2A.

In Figur 3 wird das Medium 1 mit der Dicke d wie in Figur 2A von einem Laserstrahl 2 bestrahlt. In einer Tiefe d' entsprechend Figur 2B ist in Zielrichtung des Laserstrahles 2 ein stark absorbierendes flächiges Objekt 4 eingelagert, dessen Flächenausdehnung wesentlich größer als die Eintrittsfläche 3 des Laserstrahles ist. Die Intensitätsverteilung der rückgestreuten Lichtleistung Pb innerhalb des Streuhofs S" entspricht etwa der in Figur 2B gezeigten Verteilung. Der Durchmesser des Streuhofs S'' und der Maximalwert der rückgestreuten Lichtlestung Pb hängen hierbei von dem Absorptionsverhalten des verborgenen Objektes 4 ab. Wenn man demnach die Absorptionseigenschaften des Objektes 4 und dessen Ausdehnung kennt, so kann durch den Verlauf des Intensitätsprofils der Lichtleistung innerhalb des Streuhofs auch die Tiefe bestimmt werden, in der das Objekt innerhalb des Mediums liegt.In Figure 3, the medium 1 with the thickness d as in Figure 2A of a Laser beam 2 is irradiated. At a depth d 'according to Figure 2B is in the target direction of the laser beam 2 a strongly absorbing flat object 4 embedded, whose Area extension much larger than the entry surface 3 of the laser beam is. The intensity distribution of the backscattered light power Pb within the Streuhofs S ″ corresponds approximately to the distribution shown in FIG. 2B. The diameter of the scattering area S '' and the maximum value of the backscattered light output Pb depend this depends on the absorption behavior of the hidden object 4. If you accordingly knows the absorption properties of the object 4 and its expansion, so can by the course of the intensity profile of the light output within the scattering area the depth at which the object lies within the medium can also be determined.

Um nun derartige von einem Medium 1 umhüllte Objekte 4 detektieren zu können, wird das Medium mit dem Laserstrahl 2 in Pfeilrichtung 5 abgetastet. Während der Abtastung wird jeweils die rückgestreute Lichtleistung Pb erfaßt. In Figur 4A ist der Fall für ein Objekt gezeigt, dessen Flächenausdehnung wesentlich größer als der Eintrittsbereich 3 des Laserstrahls ist. In dieser Figur ist ferner die rückgestreute Lichtleistung Pb über dem Abtastweg x aufgetragen. Solange in dem Medium 1 das Laserlicht durch kein Objekt gestört rückgestreut wird, hat die rückgestreute Lichtleistung den annähernd konstanten Wert Pb0. Sobald jedoch Komponenten des Laserlichtes auf das stark absorbierende Objekt treffen, verringert sich diese gestreute Lichtleistung und erreicht einen Minimalwert Pbm, wenn die Rückstreuung praktisch nur in dem Bereich des Objektes 4 erfolgt. Die rückgestreute Lichtleistung steigt wieder an, wenn die Zielrichtung des Laserstrahles über die Grenze des Objektes 4 wandert und erreicht schließlich bei ungestörter Rückstreuung wieder den Wert Pbo. Wegen des glockenförmigen Verlaufs des Intensitätsprofils, entsprechend den Figuren 2A und 2B, erscheint der Verlauf der rückgestreuten Lichtleistung Pb verbreitert gegenüber der tatsächlichen Kontur des Objekts.In order to now detect such objects 4 enveloped by a medium 1 To be able to, the medium is scanned with the laser beam 2 in the direction of arrow 5. The backscattered light power Pb is detected during the scanning. In FIG. 4A shows the case for an object whose surface area is significant is larger than the entry area 3 of the laser beam. In this figure is also the backscattered light power Pb plotted over the scanning path x. As long as in the medium 1, the laser light is not disturbed by any object, has the backscattered light power has the approximately constant value Pb0. However, once components When the laser light hits the strongly absorbing object, it is reduced scattered light power and reaches a minimum value Pbm when the backscatter practically only takes place in the area of the object 4. The backscattered light output increases again when the target direction of the laser beam over the boundary of the object 4 migrates and finally reaches the value again with undisturbed backscattering Pbo. Because of the bell-shaped course of the intensity profile, corresponding to the 2A and 2B, the curve of the backscattered light power Pb appears broadened compared to the actual contour of the object.

In Figur 4B ist die gleiche Abtastbewegung des Laserstrahls 2 dargestellt, wobei hier allerdings ein Objekt 4' detektiert wird, dessen Flächenausdehnung kleiner ist als die Ausdehnung des Laserstrahles in der Objekttiefe. Aus dem zugehörigen Diagramm für die rückgestreute Lichtleistung Pbt die im Bereich des Objektes 4' auf einen Minimalwert Pbm' abfällt, erhält man wiederum eine Aussage über die Ausdehnung des Objektes. Auch hier ist der Verlauf der rückgestreuten Lichtleistung über den Abtastweg gegenüber der Kontur des Objekts verbreitert.In Figure 4B, the same scanning movement of the laser beam 2 is shown, however, an object 4 'is detected here, the area of which is smaller is than the extent of the laser beam in the object depth. From the associated Diagram for the backscattered light power Pbt in the area of the object 4 ' drops to a minimum value Pbm ', a statement about the expansion is again obtained of the property. Here, too, is the curve of the backscattered light output over the Widened scanning path compared to the contour of the object.

Aus den Diagrammen der Figuren 4A und 4B können, sofern die Absorptionseigenschaften der Objekte 4 bzw. 4' bekannt sind, Rückschlüsse darauf bezogen werden, in welcher Tiefe das Objekt innerhalb des Mediums 1 liegt.From the diagrams of FIGS. 4A and 4B, provided the absorption properties of the objects 4 and 4 'are known, conclusions can be drawn about in which Depth the object lies within the medium 1.

Falls das zu detektierende Objekt Lichtstrahlung stark reflektiert, so wird der Verlauf der rückgestreuten Lichtleistung dementsprechend von dem Normalwert Pb0 auf einen Maximalwert ansteigen. Auch hier ist das Diagramm der rückgestreuten Lichtleistung gegenüber der Objektausdehnung verbreitert.If the object to be detected reflects light radiation strongly, so the course of the backscattered light power is correspondingly from the normal value Pb0 rise to a maximum value. Again, the diagram is the backscattered Light output broadened compared to the size of the object.

In Figur 5 ist schematisch eine Einrichtung zum Erfassen und Aufnehmen von in einem Medium 1 verborgenen Objekten 4 dargestellt. Ein Laser 11 gibt einen gebündelten Laserstrahl 2 ab, der durch eine mittige Lochblende 12 eines Duplexer-Spiegels 13 geleitet wird. Der Duplexer-Spiegel 13 ist gegen die Achse des Laserstrahls 2 um 450 geneigt. Der Laserstrahl 2 fällt anschließend auf eine Abtastspiegelanordnung 14 , die aus zwei um zwei verschiedene Achsen rotierenden Spiegeln 15 bzw. 16 besteht. In&r bezeichneten Stellung der Spiegel 15 und 16 trifft der Laserstrahl 2 am Eintrittsort 3 senkrecht auf die Oberfläche des streuenden Mediums 1 auf und dringt in dieses ein. Durch Drehung der Abtastspiegel 15 und 16 wird der Laserstrahl in Richtung des Pfeiles 5, d.h. in Abtastrichtung, über die Oberfläche des streuenden Mediums gelenkt.In Figure 5 is a device for detecting and recording schematically represented by objects 4 hidden in a medium 1. A laser 11 gives one bundled laser beam 2, which passes through a central aperture 12 of a duplexer mirror 13 is directed. The duplexer mirror 13 is against the axis of the laser beam 2 inclined at 450. The laser beam 2 then falls on a scanning mirror arrangement 14, which consists of two mirrors 15 and 16 rotating around two different axes. In the position of the mirrors 15 and 16 designated & r, the laser beam 2 strikes Entry point 3 perpendicular to the surface of the scattering medium 1 and penetrates in this one. By rotating the scanning mirrors 15 and 16, the laser beam is in Direction of arrow 5, i.e. in the scanning direction, over the surface of the scattering Medium directed.

Der Durchmesser des Eintrittsbereiches 3 des Laserstrahls 2 an der Oberfläche des Mediums wird möglichst klein eingestellt, und zwar etwa auf ein Zehntel des Durchmessers des Streuhofes S. Damit ist gewährleistet, daß die Intensität längs der Achse des Laserstrahls 2 im Medium für eine gute Reichweite ausreicht, aber gleichzeitig, daß die lückenlose Abtastung einer vorgegebenen Fläche nicht zu lange Zeit in Anspruch nimmt. Um eine Bildverzerrung zu vermeiden, wird der Abstand der Abtastspiegelanordnung 14 zur Oberfläche des Mediums 1 so eingestellt, daß der Einfallswinkel des Laserstrahls bei der Abtastung nicht mehr als 100 beträgt.The diameter of the entry area 3 of the laser beam 2 at the The surface of the medium is set as small as possible, to about a tenth the diameter of the scattering area S. This ensures that the intensity is longitudinal the axis of the laser beam 2 in the medium is sufficient for a good range, but at the same time that the gap-free scanning of a given area does not take too long time in Claims. To avoid image distortion, the distance of the scanning mirror arrangement 14 to the surface of the medium 1 is set so that that the angle of incidence of the laser beam during scanning is not more than 100.

Die rückgestreute Lichtstrahlung 2b wird über die Spiegel 16 und 15 und die Spiegelfläche des Duplexer-Spiegels 13 auf einen Empfänger 17 geleitet und dort vermessen.The backscattered light radiation 2b is transmitted via the mirrors 16 and 15 and the mirror surface of the duplexer mirror 13 is directed to a receiver 17 and measured there.

Mit Hilfe der zweiachsigen Abtastspiegelanordnung 14, die den ausgesendeten Lichtstrahl 2 und das momentane Gesichtsfeld des Empfängers 17 zeilenartig über die Oberfläche des Mediums lenkt, kann ein rechteckiger Ausschnitt der Mediumsoberfläche durch Lenkung der Spiegel achsen in Mäander-oder einem anderen Zeilenmuster abgetastet werden.With the help of the two-axis scanning mirror assembly 14, the transmitted Light beam 2 and the current field of view of the receiver 17 in a line directs the surface of the medium, a rectangular section of the medium surface can be by steering the mirror axes scanned in a meander or other line pattern will.

Die Spiegel 13, 15 und 16 sowie' der Empfangswinkelbereich des Empfängers werden so ausgelegt, daß entweder die gesamte rückgestreute Lichtleistung, die aus dem Streuhof S in den Auffaßbereich des Empfängers zurückstreut oder die rückgestreute Lichtleistung aus einem kranzförmigen Bereich um den Auftreffpunkt 3 des Laserstrahls detektiert wird. Einfache Beispiele für derartige Empfänger sind in den Figuren 6A bzw. 6B dargestellt.The mirrors 13, 15 and 16 as well as' the reception angle range of the receiver are designed so that either the total backscattered light output that comes from scattered back to the scattering yard S in the reception area of the recipient or the backscattered Light output from a ring-shaped area around the point of impact 3 of the laser beam is detected. Simple examples of such receivers are shown in the figures 6A and 6B, respectively.

Der Empfänger 171 gemäß Figur 6A besteht aus einem Lichtdetektor 18, auf den das von dem Duplexer-Spiegel 13 kommende Strahlenbündel mittels einer Sammellinse 19 fokussiert wird.The receiver 171 according to FIG. 6A consists of a light detector 18, onto which the bundle of rays coming from the duplexer mirror 13 by means of a converging lens 19 is focused.

Die Brennweite f wird so ausgelegt, daß bei dem vorgegebenen Durchmesser der Detektorfläche D der hierdurch definierte Gesichtsfeldwinkel D/f des Empfängers den Streuhof S voll umfaßt.The focal length f is designed so that with the given diameter of the detector surface D is the defined field of view angle D / f of the receiver the Streuhof S fully embraces.

Im zweiten Falle werden entsprechend Figur 6B für den Empfänger 172 zwei Sammellinsen 21 und 22 verwendet, zwischen denen eine Kreisblende 23 angeordnet ist; diese Kreisblende ist in Figur 6B zusätzlich in Aufsicht dargestellt. Mit der Kreisblende 23 wird aus dem Bild des Streuhofs S mittels eines undurchsichtigen Einsatzstückes 24 der zentrale Bereich ausgeblendet. Das durch die Blende 23 hindurchgehende Licht wird dann mittels der zweiten Sammellinse 22 auf den Detektor 18 konzentriert. Der Lichtdetektor 18 kann bei beiden Empfängern z.B. als Ringquadrantendetektor ausgebildet werden, so daß die empfangene rückgestreute Lichtleistung nicht nur über den gesamten Streuhof S, sondern auch die Verteilung der Lichtleistung über den vom Detektor erfaBten Bereich in den einzelnen Quadranten vermessen werden kann.In the second case, for the receiver 172 two converging lenses 21 and 22 used between which a circular aperture 23 is arranged; this circular diaphragm is also shown in FIG. 6B in a top view. With the circular aperture 23, the image of the scattering area S is made by means of an opaque one Insert piece 24 hidden the central area. That passing through the aperture 23 Light is then concentrated onto the detector 18 by means of the second converging lens 22. The light detector 18 can be used, for example, as a ring quadrant detector in both receivers be formed so that the received backscattered light power not only over the entire Streuhof S, but also the distribution of the light output over the area covered by the detector can be measured in the individual quadrants.

Wird hiermit z.B. festgestellt, daß der Streuhof nicht kreisförmig ist, so können aus der Verteilung der rückgestreuten Lichtleistung in den Quadranten des Detektors Rückschlüsse auf die Form bzw. auf den Verlauf der Grenze eines in dem Medium verborgenen Objektes gezogen werden.This is used to determine, for example, that the litter yard is not circular is, then from the distribution of the backscattered light power in the quadrants of the detector draws conclusions about the shape or the course of the boundary of an in the hidden object's medium.

Die Ausblendung des zentralen Bereiches hat für einige Anwendungsgebiete folgende Vorteile: Wie oben in Verbindung mit den Figuren 2 und 4 erläutert, ist bei einer Änderung des Streuhofs durch Absorption in der Tiefe des Mediums die differentielle Änderung an dem Intersitätsprofil der rückgestreuten Lichtleistung Pb nicht immer am größten im Bereich der Gesamtintensität , d.h. des maximalen oder minimalen Wertes der Rückstreuleistung, sondern in Bereichen des Streuhofs S, die um den zentralen Bereich im Auftreffort 3 des Laserstrahles liegen. Dies ist in Figur 7 für den Fall einer stationären Beleuchtung eines Mediums 1 durch einen Laserstrahl 2 dargestellt. Mit Pb1 ist die Intensitätsverteilung der rückgestreuten Lichtleistung Pb für den Fall bezeichnet, in dem im Medium in Zielrichtung des Laserstrahles 2 kein Objekt liegt. Mit der gestrichelten Glockenkurve Pb2 ist die Intensitätsverteilung der rückgestreuten Lichtleistung über die Fläche des Streuhofs dargestellt, falls in Zielrichtung des Laserstrahls 2 ein ebenfalls gestricheltes, stark lichtabsorbierendes Objekt 4 liegt. Die von der Glockenkurve Pbl umfaßte, der Gesamtintensität der rückgestreuten Lichtleistung entsprechende Fläche ist größer als die von der Glockenkurve Pb2 umfaßte Fläche. Das Verhältnis dieser beiden Flächen ist ein Maß für das Auflösungsvermögen einer Einrichtung, die mit einem Empfänger 171 gemäß Figur 6A ausgerüstet ist. Wird jedoch ein Empfänger 172 gemäß Figur 6B verwendet, in dem ein zentraler Bereich B durch das zentrale Einsatzstück 24 ausgeblendet wird, so kann das Verhältnis der Gesamtintensität bei ungestörter Rückstreuung und bei einer durch ein Objekt 4 gestörter Rückstreuung noch verbessert werden. Bei ungestörter Rückstreuung entspricht die von dem Detektor 18 des Empfängers 172 aufgenommene Gesamtintensität der einfach schraffierten Fläche F1 zu beiden Seiten des ausgeblendeten Bereiches in Figur 7. Wenn in Zielrichtung des Laserstrahles 2 ein Objekt 4 in dem Medium verborgen ist, entspricht die von dem Fotodetektor 18 des Empfängers 172 empfangene Gesamtintensität der doppelt schraffierten Fläche F2 zu beiden Seiten des ausgeblendeten Bereiches B. Das Verhältnis F1/F2 ist jedoch wesentlich größer als das Verhältnis der jeweiligen von den Glockenkurven Pb1 bzw. Pb umschlossenen Flächen. Dementsprechend größer ist auch das Auflösungsvermögen einer mit dem Empfänger 172 gemäß Figur 6B ausgerüsteten Einrichtung.The fading out of the central area has for some areas of application the following advantages: As explained above in connection with Figures 2 and 4, is if there is a change in the scattering zone due to absorption in the depth of the medium, the differential Change in the intensity profile of the backscattered light power Pb does not always occur greatest in the area of the total intensity, i.e. the maximum or minimum value the backscatter power, but in areas of the scattering yard S, which around the central Area in the point of impact 3 of the laser beam. This is in Figure 7 for the case a stationary illumination of a medium 1 by a laser beam 2. With Pb1 is the intensity distribution of the backscattered light output Pb denotes the case in which in the medium in the target direction of the laser beam 2 no object lies. With the dashed bell curve Pb2 is the intensity distribution the backscattered light output across the area of the scattering area, if in the direction of the laser beam 2, a likewise dashed, strongly light-absorbing one Object 4 is located. The one encompassed by the bell curve Pbl, the total intensity of the backscattered The area corresponding to the light output is larger than that encompassed by the bell-shaped curve Pb2 Area. The ratio of these two areas is a measure of the resolving power a device which is equipped with a receiver 171 according to FIG. 6A. Will however, a receiver 172 according to FIG. 6B is used, in which a central area B is hidden by the central insert 24, the ratio of the Total intensity with undisturbed backscattering and with one that is disturbed by an object 4 Backscatter can still be improved. With undisturbed backscattering, the corresponds to total intensity of the simple, recorded by the detector 18 of the receiver 172 hatched area F1 on both sides of the masked area in FIG. 7. If an object 4 is hidden in the medium in the direction of the laser beam 2, corresponds to the total intensity received by the photodetector 18 of the receiver 172 the double hatched area F2 on either side of the hidden Area B. However, the ratio F1 / F2 is much larger than the ratio of the respective areas enclosed by the bell curves Pb1 and Pb. Accordingly The resolving power of one with the receiver 172 according to FIG. 6B is also greater equipped facility.

Die Ausgangssignale des Empfängers 17 werden auf einem Bildspeicher-Sichtgerät synchron mit der Punktabtastung der Mediumoberfläche in x- und y-Richtung aufgezeichnet. Nach einem vollendeten Abtastzyklus kann das Bild entweder festgespeichert oder gelöscht werden. Die Bildpunktgröße auf dem Bildspeicher-Sichtgerät, die elektronisch festgelegt wird und gegeben ist durch die Anzeigefrequenz entlang der Abtastspur bzw. der Dichte der Abtastzellen auf dem Sichtgerät, wird je nach Anwendung auf einen Bereich zwischen dem Durchmesser des abtastenden Laserstrahls und dem mittleren Durchmesser des Streuhofs festgelegt.The output signals of the receiver 17 are displayed on an image memory viewer recorded synchronously with the point scanning of the medium surface in x and y directions. After a completed scan cycle, the image can either be frozen or to be deleted. The pixel size on the image storage viewer, which is electronic is determined and is given by the display frequency along the scanning track or the density of the scan cells on the display device, depends on the application a range between the diameter of the scanning laser beam and the mean Set the diameter of the scattering area.

Die bisher im Prinzip beschriebene Einrichtung kann durch verschiedene, in Figur 5 eingezeichnete Vorrichtungen verbessert werden: Zur Unterdrückung von störender Hintergrundschaltung beim Empfang wird ein Interferenzfilter 31 mit guter Burchlässigkeit bei der Emissions-Wellenlänge des Lasers 11 in den Strahlengang vor dem Empfänger 17 eingebaut.The device described so far in principle can be through various, devices drawn in FIG. 5 are improved: To suppress disturbing background switching at Reception becomes an interference filter 31 with good transparency at the emission wavelength of the laser 11 in the Beam path installed in front of the receiver 17.

Die Strahlung des Lasers 11 wird außerdem vorteilhaft durch einen Chopper 32 mit einer festen Frequenz, von z.B. einigen Kilohertz durchmoduliert. Empfangsseitig wird dann dem Empfänger 17 ein auf die Chopper-Frequenz abgestimmtes engbandiges Frequenzfilter nachgeschaltet, wodurch die Nachverstärkung der Ausgangssignale des Empfängers auf die Chopper-Frequenz bezogen wird. Hierdurch wird die Erfassung der Ausgangssignale des Empfängers weitgehend unabhängig von Hintergrundstrahlung und elektronischem Rauschen des Fotodetektors 18.The radiation of the laser 11 is also advantageous by a Chopper 32 with a fixed frequency, e.g. modulated by a few kilohertz. At the receiving end, a tuned to the chopper frequency is then sent to the receiver 17 Narrowband frequency filter connected downstream, which means that the output signals are amplified of the receiver is related to the chopper frequency. This will make the capture the output signals of the receiver largely independent of background radiation and electronic noise of the photodetector 18.

Bei der Abtastung des Mediums tritt außerdem ein die Auswertung störender Reflex an der Oberfläche des Mediums aufgrund des Übergangs des Laserstrahles von optisch dünneren zu optisch dichteren Medium auf. Dieser Störreflex kann dadurch unterdrückt werden, daß der Lasers-rahl 2 durch einen Polarisationsfilter 34 linear polarisiert wird. Anders als das Streulicht aus der Tiefe des Mediums, welches du-ch die Mehrfachstreuung total depolarisiert ist, behält die Reflexstrahlung die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes bei. Diese Reflexstrahlung kann daher mit einem weiteren Polarisationsfilter 35 im Strahlengang zu dem Empfänger 17 unterdrückt werden, wenn die Polarisationsrichtungen der Filter 34 und 35 gekreuzt sind.When the medium is scanned, the evaluation also becomes more disruptive Reflex on the surface of the medium due to the transition of the laser beam from optically thinner to optically denser medium. This interference reflex can thereby be suppressed that the laser beam 2 through a polarization filter 34 linear being polarized. Unlike the scattered light from the depths of the medium, which you-ch the multiple scattering is totally depolarized, the reflected radiation retains the direction of polarization of the incident light. This reflected radiation can therefore with a further Polarization filter 35 in the beam path to the receiver 17 are suppressed if the polarization directions of the filters 34 and 35 are crossed.

Die Auswertung und Aufzeichnung der Empfängerausgangssignale etwa auf dem Sichtgerät können nach verschiedenen Verfahren, die an sich bekannt sind, erfolgen. Wenn nur auf die differentiellen Änderungen des Ausgangssignals, die die eigentliche Bildinformation beinhalten, WeYt gelegt wird, wird das Ausgangssignal des Empfängers z.B. nur ab einem festen Signal- pegel weiterbearbeitet; bei einer Modulation der Laserstrahlung werden z.B. nur die Wechselstromanteile verwendet.The evaluation and recording of the receiver output signals, for example Various methods that are known per se can be used on the display device take place. If only on the differential changes in the output signal that the contain actual image information, as weYt is placed, the output signal of the receiver e.g. only from a fixed signal level further processed; If the laser radiation is modulated, for example, only the alternating current components used.

Mit dem beschriebenen Verfahren und der Einrichtung können Informationen über in einem Medium verborgene Objekte erfaßt werden, aus denen die Größe der Objekte und - bei entsprechender Auswertung zumindest teilweise - auch deren Tiefenlage in dem Medium bestimmt werden können.With the described procedure and the device information about objects hidden in a medium are detected, from which the size of the objects and - with an appropriate evaluation at least partially - also their depth can be determined in the medium.

Die in Figur 5 dargestellte Einrichtung kann im wesentlichen nur dann angewendet werden, wenn die betrachteten streuenden Medien eine wohl definierte glatte Oberfläche aufweisen und wenn eine homogene Verteilung der Streuzentren im Medium vorliegt. Falls dieses nicht der Fall ist, so wird die geschilderte Einrichtung entsprechend der Figur 8 erweitert.The device shown in Figure 5 can essentially only be applied when the scattering media being considered is a well-defined one have a smooth surface and if a homogeneous distribution of the scattering centers in the Medium is present. If this is not the case, the described facility will be used expanded according to FIG.

Bei dieser Einrichtung werden zwei Laser 11' und 11'' verwendet, die jeweils gebündelte Lichtstrahlen mit den Wellenlängen ' bzw. 7t " abgeben. Die Lichtstrahlen dieser beiden Laser werden durch einendichroitischen Spiegel 41 achsgleich ausgerichtet. Die achsgleichen Laserstrahlen werden anschließend wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 durch die Lochblende 12 eines Duplexer-Spiegels 13 über die Abtastspiegelanordnung 14 aus den Abtastspiegeln 15 und 16 in Richtung auf die Oberfläche des Mediums 1 geleitet. Die Abtastung erfolgt wie bei der Einrichtung gemäß Figur 5.In this device, two lasers 11 'and 11 "are used, the emit bundled light rays with the wavelengths' or 7t ". The light rays These two lasers are aligned with the same axis by a dichroic mirror 41. The on-axis laser beams are then as in the embodiment according to FIG. 5 through the perforated diaphragm 12 of a duplexer mirror 13 via the scanning mirror arrangement 14 from the scanning mirrors 15 and 16 in the direction of the surface of the medium 1 directed. The scanning takes place as with the device according to FIG. 5.

Die rückgestreute Lichtstrahlung 2b wird über die Abtastspiegelanordnung 14 und den Duplexer-Spiegel 13 auf einen weiterendichroitischen Spiegel 42 geführt und dort in die beiden Wellenlängenanteile aufgeteilt. Licht mit der Wellenlänge & des Lasers 11' fällt auf einen Empfänger 17' , Licht mit der Wellenlänge A w t des Lasers 11'' fällt auf einen Empfänger 17''.The backscattered light radiation 2b is via the scanning mirror arrangement 14 and the duplexer mirror 13 are guided onto a further dichroic mirror 42 and divided there into the two wavelength components. Light with wavelength & of the laser 11 'falls on a receiver 17', light with the wavelength A w t of the laser 11 ″ falls on a receiver 17 ″.

Die Empfänger können wiederum so ausgebildet sein, wie dies in den Figuren 6A bzw. 6B gezeigt ist. Ferner können die in Figur 5 gezeigten Einrichtungen zur Verbesserung des Auflösungsvermögens vorgesehen sein, wie Interferenzfilter, Frequenzfilter und Polarisationsfilter. Die Ausgangssignale der Empfänger 17' und 17" werden, wie oben erwähnt, kalibriert und einem Auswertungs- und Aufzeichnungsgerät 43 zugeführt.The receivers can in turn be designed as shown in Figures 6A and 6B, respectively. Furthermore, the devices shown in FIG to improve the resolution, such as interference filters, Frequency filter and polarization filter. The output signals of the receivers 17 'and 17 "are, as mentioned above, calibrated and an evaluation and recording device 43 supplied.

In diesem Gerät wird das Differenzsignal der beiden Empfänger nach entsprechender Korrektur ausgewertet und aufgezeichnet.In this device the difference signal of the two receivers is after corresponding correction evaluated and recorded.

Wenn die Wellenlängen b' und A tl der beiden Laser so gewählt sind, daß für diese Wellenlängen der Streuquerschnitt des Mediums 1 im wesentlichen gleich ist, so ist das korrigierte Differenzsignal der beiden Empfänger 17' und 17" unabhängig von der Oberflächenkontur und von Inhomogenitäten im Inneren des Mediums. Dieses Differenzsignal kann dann, ebenso zur Aufnahme von verborgenen Objekten verwendet werden, wie dieses zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 erläutert worden ist.If the wavelengths b 'and A tl of the two lasers are chosen so, that for these wavelengths the scattering cross-section of the medium 1 is essentially the same is, the corrected difference signal of the two receivers 17 'and 17 "is independent of the surface contour and of inhomogeneities in the interior of the medium. This The difference signal can then also be used to record hidden objects how this has been explained for the embodiment according to FIG.

Eine Erweiterung auf ein multispektrales Bildaufnahmeverfahren ist selbstverständlich möglich.An extension to a multispectral image recording method is of course possible.

Anwendungsmöglichkeiten für das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung werden im folgenden angegeben: 1. Abbildung von Inhomogenitäten, wie Dichteschwankungen, Fremdkörpern, Luftblasen, Rissen, Schichtverläufen,Dickenänderungen in an sich homogenen Werkstoffen , wie Porzelan, Keramik, Polytetrafluoräthylen, PVC, Glasfasern , Klebstoffen etc.. Hierzu ist eine Einrichtung gemäß Figur 5 geeignet, bei der Laser im Dauerstrichbetrieb verwendet werden.Possible applications for the procedure and the facility according to of the invention are given below: 1. Mapping of inhomogeneities, such as Density fluctuations, foreign bodies, air bubbles, cracks, layer progression, changes in thickness in homogeneous materials such as porcelain, ceramics, polytetrafluoroethylene, PVC, glass fibers, adhesives etc .. A device according to Figure 5 is suitable for this, where lasers are used in continuous wave operation.

2. Überprüfung von Werkstoffen mit unebener Oberfläche, gestalteter Form oder inhomogener Zusammensetzung auf In -homogenitäten; hierzu werden Einrichtungen mit Lichtstrahlen mehrerer Wellenlängen verwendet.2. Inspection of materials with uneven surfaces, designed Shape or inhomogeneous composition for in -homogeneities; this will be facilities used with light beams of multiple wavelengths.

3. Erfassen von Objekten, wie Autos, Landschafts- und Baumumrissen, Objekten am Meeresboden etc. mit einer Einrichtung gemäß Figur 8, d.h. nach dem Zwei-Wellenlängenverfahren. Hier werden. bevorzugt gepulste Laser hoher Wiederholfrequenz verwendet, die gleichzeitig die fundamentalen und die harmonischen Wellenlängen ausstrahlen, wie z.B. Neodym-YAG-Laser. Allgemein sind hierfür Hochleistungs-Dauerstrich-Laser mit mehreren Wellenlängenkomponenten verwendbar.3. Detecting objects such as cars, landscape and tree outlines, Objects on the sea floor etc. with a device according to Figure 8, i.e. after the Two-wavelength method. Be here. prefers pulsed lasers with a high repetition frequency uses the fundamental and harmonic wavelengths at the same time emit, such as neodymium YAG laser. High-power continuous wave lasers are generally used for this purpose can be used with several wavelength components.

4. Medizinische Untersuchungen, so z.B. Erfassen von Fremdkörpern, pathologischen Gewebeanomalien und Gefäßverläufen in biologischem Gewebe. Solche Untersuchungen können nach dem Ein-Wellenlängenverfahren mit einer Einrichtung gemäß Figur 5 vorgenommen werden. Ebenso sind Zwei- oder Mehr-Wellenlängenverfahren möglich, wenn die zu untersuchenden Objekte spezifische Absorptions- oder Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit der verwendeten Wellenlänge aufweisen. So kann z.B. mit einem Multispektralverfahren die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin in lebendem Gewebe trotz Streuung anderer absorbierender Gewebskomponenten ermittelt werden. Für einen solchen Anwendungsfall sind z.B. durchstimmbare Farbstofflaser oder Mehrwellenlängen-Argon- und -Krypton-Laser verwendbar.4. Medical examinations, e.g. detection of foreign bodies, pathological tissue abnormalities and vascular courses in biological tissue. Such Examinations can be carried out according to the single-wavelength method with a device in accordance with Figure 5 can be made. Two or more wavelength methods are also possible, if the objects to be examined have specific absorption or reflection properties depending on the wavelength used. For example, with a multispectral method the oxygen saturation of hemoglobin in living tissue despite scattering of others absorbent tissue components are determined. For such an application are e.g. tunable dye lasers or multi-wavelength argon and crypton lasers usable.

In allen Fällen können als Abtastspiegelanordnung herkömmliche Spiegelgalvanometer-Scanner eingesetzt werden. Als Fbtodetektoren sind Silizium-PIN-Dioden und Si-Avalanche-Dioden geeignet.In all cases, conventional mirror galvanometer scanners can be used as the scanning mirror arrangement can be used. Silicon PIN diodes and Si avalanche diodes are used as color detectors suitable.

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Claims

Method and device for capturing and mapping objects and Structures in enveloping scattering media by means of light radiation Patent claims Method for capturing and mapping objects and structures that - themselves are strong absorbent or reflective - are hidden in an absorbent medium, with the help of light radiation, thereby g e k e n n n z e i c h n e.t that the medium with a focused beam of light penetrating the medium along a path is scanned that in the area (scattering area) around the entry point of the light radiation The amount of light emerging from the medium is measured and recorded along the scan path is, and that the recording locations where the measured amount of light from the surrounding recording locations differ, be assigned to an object.

2. The method according to claim 1, characterized in that from the Backscattered light radiation fades out a central area before the measurement will.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the medium is irradiated with light of several wavelengths, the backscattered light radiation is divided into the individual wavelength components and measured at the receiving end, and that a difference signal composed of these measurement signals for evaluation is used.

4. Device for carrying out the method according to one of the preceding Claims to capture and map objects and structures that - themselves strong absorbent or reflective - are hidden in an absorbent medium, with the help of light radiation, characterized by a light source (ii), 'the one sharply focused light beam (2) emits a device (14) for moving the Light beam over the surface of the medium (1), a receiver (17) for measuring in an area (scattering yard S) around the entry point (3) of the light beam (2) amount of light emitted again from the medium (1) and a recording device (25) for recording the measurement signals emitted by the receiver (17) along the Scanning path (X, Y).

5. Device according to claim 4, characterized in that the device a scanning mirror arrangement (14) for deflecting the bundled light beam (2) and to guide it over the surface of the medium (1) and to deflect and Conducting the backscattered light beams (2b) on the receiver (17).

6. Device according to one of claims 4 and 5, characterized in that that the receiver (17) has a photodetector (18) has, whose Auffaßwinkelbereich is set so that almost the entire litter area (S) is covered sird.

7. Device according to claim 6, characterized in that in the beam path the backscattered light radiation (2b) has a diaphragm (23) to hide the central Area (B) of the backscattered light radiation is arranged.

8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that that in the beam path of the emitted bundled light beam (2) a polarization filter (34) is provided for the linear polarization of the light beam, and that in the beam path a further polarization filter (35) is provided for the backscattered light radiation (2b) whose polarization direction is to that of the first polarization filter (35) is crossed.

9. Device according to one of claims 4 to 8, characterized in that that to suppress background radiation in the beam path of the backscattered Light radiation (2b) an interference filter (31) is provided, the pass band of which is matched to the wavelength of the emitted light beam (2).

10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that that in the beam path of the emitted light beam (2) a chopper (32) for Modulation of the emitted light radiation is provided, and that with the output of the receiver (17) connected to a frequency filter tuned to the chopper frequency is.

11. Device according to one of claims 4 to 10, characterized in that that the device has several light sources (11 'ii ") for emitting one at a time bundled light beam of different wavelengths (h "), and that Several receivers tuned to these wavelengths (A, A X, on the receiving side) (17 ', 17' ') are provided, and that the signal for the evaluation is one of the output signals the individual receiver is a composite, calibrated differential signal.

12. The device according to claim 11, characterized in that the Wavelengths (? V ',? \' ') Emitted by the individual light sources (11I, 11' ') Light rays (2) are chosen so that the scanned medium (1) for both wavelengths has approximately the same absorption properties.

13. Device according to one of claims 4 to 12, characterized in that that an image memory viewing device (25) is used as the recording device.

14. Device according to one of claims 4 to 13, characterized in that that the light sources are lasers (11).

15. Device according to one of claims 4 to 14, characterized in that that the receiver (17) has a detector (18) for angularly differentiated scanning of the Has scattering area image (S), preferably a ring quadrant detector.