DE69131334T2

DE69131334T2 - Optisches Richtsystem für optisches Teilbildwiedergabegerät

Info

Publication number: DE69131334T2
Application number: DE69131334T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Ichimura; Fumio Inaba; Masahiro Toida
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2011-03-26
Also published as: DE69131334D1; EP0449597A3; EP0449597A2; EP0449597B1; US5231464A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein genaues optisches Richtsystem, das in der Lage ist, trennend eine ebene Welle mit einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung zu erfassen, die aus einer vorbestimmten Richtung in das System eintritt, und das geeignet ist, die Absorptionsverteilung in einem Streuobjekt, zum Beispiel einen lebenden Körper, zu erfassen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine optische, sektionale Bilderzeugungsvorrichtung, die in der Lage ist, Informationslicht, welches verdeckt in einem Streulicht eingebettet ist, mit hoher Auflösung abzubilden.
Seit der Entdeckung der Röntgenstrahlen sind Technologien für die Beobachtung des Inneren eines lebenden Körpers (z. B. eines menschlichen Körpers), ohne ihn zu zerstören (d. h. blutlose oder zerstörungsfreie Meßverfahren) stark gefragt und auf dem Gebiet der Biologie, insbesondere im medizinischen Bereich, weiterentwickelt worden. Diese Technologien verwenden Gamma- und Röntgenstrahlen, die unter den elektromagnetischen Wellen die kürzesten Wellenlängen aufweisen, sowie Funkwellen, welche die längsten Wellenlängen von ihnen haben. Die Technologie, die die ersteren verwendet, ist bereits als Röntgenstrahlen-Computertomografie und die Technologie, die die letzteren verwendet, als NMR-CT (Magnetresonanzabbildung d. h. MRI) in die Praxis überführt.
Andererseits sind weniger Versuche unternommen worden, die Spektrografie anzuwenden, die sich mit der Messung und der Analyse von Ultraviolettspektren, sichtbaren Spektren, Spektren nahe dem Infrarot und von Infrarotspektren beschäftigt und die auf dem Gebiet der Physik und der Chemie auch für die Messung am lebenden Objekt umfassend verwendet wird. Das ist deswegen so, weil die Biometrie, die Licht verwendet, insbesondere das Licht, welches den Lichtabsorptions- und Lichtemissionsprozeß nutzbar macht, noch viele ungelöste Probleme hinsichtlich der "Mengenbestimmung" hat, die das absolute Grundproblem darstellt. Das ist der Grund dafür, daß die Reproduzierbarkeit geringwertig und die Zuverlässigkeit bezüglich der Absolutwerte, die bei der Messung erhalten werden, gering ist, welche gegenwärtig unter Verwendung von, zum Beispiel, einer Vorrichtung durchgeführt wird, welche die reflektierten Spektren mit einem Festkörperbauelement oder einer hochempfindlichen Fernsehkamera mißt.
In einem Falle, in dem Licht auf ein Streuobjekt aufgebracht wird, wie zum Beispiel ein organisches Gewebe, ist es, wenn das Licht von direkt gegenüber unter einem Winkel von 180º aufgenommen wird, möglich, das sich geradlinig ausbreitende Licht in einem gewissen Maße zu entnehmen. Die räumliche Auflösungsleistung ist bei dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht sehr hoch.
Die Differenz in der räumlichen Auflösungsleistung zwischen Röntgenstrahlen und Licht kann bei dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht aufgebessert werden. Die Verwendung von Lichtstrahlen, insbesondere von Strahlen nahe dem Infrarotbereich, ermöglicht es jedoch, die Gewebesauerstoffkonzentration aus dem Hämoglobin im Blut abzubilden. Diese Lichtstrahlen geben Informationen, die sich von denen unterscheiden, welche durch andere Technologien, wie zum Beispiel NMR-CT und Röntgenstrahlen-CT erhalten werden.
So ist es zum Beispiel möglich, wenn ein Objekt O in Fig. 1 eine Substanz ist, die keine große Menge von Streumaterie enthält und eine relativ hohe Transparenz aufweist, eine Beobachtung in einer solchen Weise durchzuführen, daß eine Lichtkomponente einer spezifischen Wellenlänge durch einen Filter 340 ausgewählt wird und von einem ringförmigen Spalt 341, der im Brennpunkt einer Linse L&sub1; angeordnet ist, auf das Objekt O aufgebracht wird und auf einer Ebene P durch eine Objektivlinse L&sub2; eine vergrößerte Abbildung erzeugt wird. Die Verwendung des ringförmigen Spaltes 341 der im Brennpunkt der Linse L&sub1; angeordnet ist, ermöglicht das Aufbringen von Licht auf das Objekt O aus verschiedenen Richtungen und gestattet somit die Beobachtung der Abb. I&sub1;, I&sub2;,... des Objektes O gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Für relativ dünne Gewebe mit einer Dicke von 3 bis 5 cm ist es möglich, das dadurch übertragene Licht zu erfassen. Das bedeutet, daß die "Foto-Röntgenografie" für Diagnosezwecke verwendet werden kann. Die Brüste einer Frau haben ein relativ homogenes Gewebe und übertragen daher gut Licht. Somit ist es einfach, das dadurch übertragene Licht (Dicke des Gewebes bis zu etwa 3 cm) bezüglich der Konfiguration zu erfassen. Aus diesem Grunde wurde die "Foto- Röntgenografie" für eine medizinische Überprüfung von Brustkrebs über einen langen Zeitraum unter der Bezeichnung "Diaphanografie" (Abtasten mit Licht) verwendet. Eine konventionelle Diagnosevorrichtung für eine solche Diaphanografie wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer konventionellen Vorrichtung zum Erhalten eines Lichtabsorptionsverteilungsbildes. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 401 einen Abtastkopf, 403 einen menschlichen Körper, 405 eine Videokamera, 407 einen Analog/- Digital-Wandler, 409 einen Bildspeicher für den nahezu infraroten Bereich, 411 einen Bildspeicher für den Rotlichtbereich, 413 einen Prozessor, 415 eine Farbumwandlungs-Verarbeitungseinheit, 417 eine Codierungstastatur, 419 einen Digital/Analog-Wandler, 421 einen Drucker, 423 einen Monitor und 425 einen Videobandrecorder.
Rotlicht (wird hauptsächlich durch das Hämoglobin im Blut stark absorbiert) und nahezu infrarotes Licht (absorbiert durch Blut, Wasser, Fett usw.) werden abwechselnd durch den Abtastkopf 401 über einen Lichtleiter auf einen Teil des menschlichen Körpers aufgebracht, der ein Gegenstand der Messung ist, z. B. auf die Brust, um dadurch das Objekt abzutasten. In der Figur wird das Licht von der Unterseite des Objektes nach oben aufgebracht. Im Ergebnis dessen wird die ganze Brust hell beleuchtet und ein Bild des übertragenen Lichtes wird von der Videokamera 405 aufgenommen und in dem Analog/Digital-Wandler 407 in ein digitales Signal umgewandelt, von dem das nahezu infrarote Licht und das Rotlicht über einen Digitalschalter den jeweiligen Bildspeichern 409 und 411 zugeführt wird. Ein Intensitätsverhältnis des nahezu infraroten Lichtes zu dem Rotlicht wird in dem Prozessor 413 auf der Basis der Daten von den beiden Bildspeichern 409 und 411 berechnet. Weiterhin werden aufeinanderfolgend die Farbumwandlung und die Digital/Analog-Umwandlung ausgeführt und das sich ergebende Lichtabsorptionsverteilungsbild wird durch den Drucker 421, den Monitor 423 oder den Videobandrecorder 425 beobachtet.
Bei dieser Vorrichtung sind die Lichtstrahlen von dem Abtastkopf 401 keine Parallelstrahlen, sondern divergierende Strahlen, die in dem Gewebe (in der Brust) divergieren, als ob das Objekt durch ein Blitzlicht beleuchtet worden wäre und diese divergenten Strahlen werden durch einen zweidimensionalen Detektor aufgenommen, d. h. durch eine Videokamera. Daher ist die Auflösungsleistung nicht sehr gut.
Ein Beispiel eines Systems, in dem Parallelstrahlen verwendet und aufgenommen werden, um die Auflösungsleistung zu verbessern, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer konventionellen Vorrichtung, die ein Parallellichtaufbringungs- und -aufnahmesystem verwendet, um ein Lichtabsorptionsverteilungsbild zu erhalten.
In diesem Beispiel wird Laserlicht, das als Lichtquelle verwendet wird, über eine Lichtleitfaser 433 geleitet, um ein Meßobjekt 435 zu beleuchten und das übertragene Licht wird von einem Faserkollimator 437 aufgenommen und in einem Detektor 443 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann über eine Vorverarbeitungsschaltung 445, einen Analog/Digital-Wandler 447 und eine Schnittstelle 449 zu einem Computer 451 geleitet wird, wo die Signalverarbeitung ausgeführt wird. In diesem Falle werden die Lichtleitfaser 433 für die Beleuchtung und der Faserkollimator 437 für die Erfassung durch einen Motor 439 synchron bewegt, wodurch ein Lichtabsorptionsverteilungsbild jedes Teils des Objektes 435 erhalten und dieses Bild auf einem Monitor 453 beobachtet wird.
Als Lichtquelle werden ein He-Ne-Laser von 633 nm und ein Halbleiterlaser von 830 nm für das Rotlicht bzw. für das nahezu infrarote Licht verwendet. Mit dieser Diagnosevorrichtung glückte Jobsis u. a. 1977 die Erfassung von nahezu infrarotem Licht, das durch einen Katzenkopf oder einen menschlichen Kopf übertragen wurde und sie berichteten, daß die Menge des übertragenen Lichtes mit dem Atemzustand der Tiere variiert. Wenn die Größe des zu messenden Gewebes in der Größe des Katzenkopfgewebes war, ermöglichten es die nahezu infraroten Strahlen mit Wellenlängen von 700 bis 1500 nm, daß das übertragene Licht zufriedenstellend mit einer Beleuchtungslichtmenge von etwa 5 mW erfaßt wurde. Diese Lichtmenge ist weniger als 1/50 des bestehenden Sicherheitskriteriums für Laser und entspricht etwa 1/10 der nahezu infraroten Strahlen, denen wir normalerweise am Strand ausgesetzt sind. Das Verfahren ist daher beträchtlich sicher.
Übrigens wird das übertragene Licht durch die Untersuchungsobjekte absorbiert und zerstreut, wenn das Licht auf einen lebenden Körper oder ähnliches aufgebracht wird.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Twersky-Kurve der Streutheorie darstellt, in der das Verhältnis zwischen dem Absorptionsgrad einer Suspension von roten Blutzellen und dem Hämatokrit bestimmt ist. Das Diagramm zeigt die Intensität des übertragenen Lichtes zusammen mit der Streu- und der Absorptionsgrad-Komponente des übertragenen Lichtes, erhalten nach Beleuchtung mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von 940 nm.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, hat das übertragene Licht eine große Streukomponente, die der Absorptionsgradkomponente überlagert ist. Da es der Streukomponente an Richtvermögen mangelt, enthält sie Lichtstrahlen, die aus verschiedenen Bereichen gestreut sind, so daß das sich ergebende, sektionale, optische Bild unscharf ist. Wegen der Streukomponente kann die Absorptionsgradkomponente, welche die erforderlichen Informationen in sich trägt, daher nicht einfach durch das Erfassen des übertragenen Lichtes mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
Fig. 6 ist eine Ansicht zur Erläuterung der optischen Eigenschaften eines Untersuchungsobjektes, zum Beispiel eines lebenden Körpers.
In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel enthält das Objekt O keine Streukomponente, d. h. es handelt sich um ein Objekt, das visuell seiner Natur nach wahrgenommen wird. In der tatsächlichen Praxis kann jedoch ein Untersuchungsobjekt 460, das Gegenstand der Beobachtung ist, als ein Äquivalent zu einer Kombination eines Ray-leigh-Streuobjektes 460a, das im Verhältnis zu der Wellenlänge des Lichtes ausreichend groß ist, eines Mie-Streuobjektes 460b, das auf der Wellenlänge des Lichtes liegt, eines Lichtübertragungs-Informationsobjektes 460c, das ein Beobachtungsobjekt ist und das die gewünschte Lichtabsorption bewirkt, eines Diffundierobjektes 460d, welches das Licht zerstreut, eines Beugungsgitters 460e, das eine Zufallsbewegung verursacht, usw. betrachtet werden. Licht das aus einem solchen Untersuchungsobjekt austritt, wenn es mit einer kohärenten ebenen Welle durch ein optisches Lasersystem 461 beleuchtet wird, enthält zusätzlich zu dem übertragenen Licht Ray-leigh-Streulicht, Mie- Streulicht, diffundiertes Licht, zufällig gebeugtes Licht usw., und es ist natürlich nicht möglich, nur das von dem Informationsobjekt 460c durch diese Lichtstrahlen übertragene Licht zu erfassen.
Fig. 7 zeigt eine Fresnel-Beugungswelle, die durch ein sinusförmiges Gitter mit einer finiten Blendenöffnung erzeugt wird.
Wenn eine ebene Welle auf eine finite Blendenöffnung aufgebracht wird, werden die Seitenbänder 471 und 472 außerhalb des übertragenen Lichtes 470 erzeugt. Daher ist es infolge der Einwirkung der Seitenbänder 471 und 472 schwierig, das übertragene Licht 470 mit hoher Empfindlichkeit für die Beobachtung zu erfassen.
Fig. 8 zeigt eine Leuchtdichteverteilung in einer Betrachtungsebene, die an der Seite eines Zufallsstreuobjektes 480 liegt, welche von einer Lichtquelle entfernt liegt, wenn kohärentes Licht auf das Objekt 480 aufgebracht wird.
Wenn kohärentes Licht, zum Beispiel Laserlicht, auf ein Streuobjekt aufgebracht wird, wie zum Beispiel auf einen lebenden Körper, erscheint in der Betrachtungsebene eine zufällige Beugungserscheinung, wie in Fig. 8a dargestellt ist. Wenn das von dem Streuobjekt 480 übertragene Licht durch eine Linse L fokussiert wird, wie es in Fig. 8b dargestellt ist, macht es die zufällige Beugungserscheinung unmöglich, ein Bild eines Bereiches eines lebenden Körpers zu betrachten, der, zum Beispiel, mit einer hohen Auflösungsleistung beobachtet werden soll.
Fig. 9 zeigt eine Leuchtdichteverteilung von reflektierten Strahlen gemäß dem Zustand einer Ebene diffuser Reflexion, wobei Fig. 9(a) ihre Darstellung in Polarkoordinaten und Fig. 9(b) in rechtwinkligen Koordinaten ist.
In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen J eine Leuchtdichteverteilung von Strahlen, die von einer Ebene vollkommener Diffusion reflektiert sind, G eine Leuchtdichteverteilung von Strahlen, die von einer glänzenden Ebene reflektiert sind und P eine Leuchtdichteverteilung von Strahlen, die von einer matten Ebene reflektiert sind. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß bei einer glänzenden Ebene eine scharfe Spitze ohne Ausbreitung in einer vorbestimmten Richtung erhalten werden kann, während eine matte Ebene die Leuchtdichteverteilung ausweitet, und daß sich die Leuchtdichteverteilung mit dem Zustand der Reflexionsebenen verändert, und daß somit die Beobachtung, welche reflektierte Strahlen verwendet, in hohem Maße von dem Zustand der Reflexionsebene abhängig ist.
Wie vorher beschrieben wurde, ist, wenn eine sektionale Abbildung unter Verwendung von kohärentem Licht betrachtet wird, das erforderliche Informationslicht undeutlich in Lichtstrahlen eingebet tet, die von verschiedenen Streuobjekten gestreut sind, so daß es daher unmöglich ist, Bilder mit hoher Auflösung zu betrachten.
Es wird weiterhin auf EP-A-0445293 Bezug genommen, die die Offenbarung enthält, daß es Gemeinsamkeiten mit einem Teil der Offenbarung hierin gibt, das jedoch den Stand der Technik nur gemäß Artikel 54(3) EPC darstellt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues optisches Richtsystem zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Streukomponenten zuverlässig auszuschließen und nur das erforderliche Informationslicht zu erfassen, und das selbst dann, wenn ein Informationslicht undeutlich in vielen Streukomponenten eingebettet ist.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues optisches Richtsystem zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, im wesentlichen die gesamte Energie eines Beugungsmusters einer Fraunhoferschen Beugungserscheinung nullter Ordnung zu entfernen und das selbst dann, wenn der Durchmesser der Austrittsblendenöffnung der gleiche ist, wie der der Eintrittsblendenöffnung.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein genaues optisches Richtsystem zur Verfügung zu stellen, das genaues optisches Mehrstrahlen-Richtsystem und einen ein- oder zweidimensionalen Fotodetektor enthält.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sektionale, optische Bilderzeugungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, nur das Informationslicht zu erfassen, das unscharf in Streukomponenten eingebettet ist und eine sektionale Abbildung mit hoher Auflösung zu erhalten.
Diese Aufgaben werden durch die Erfindung erreicht, wie es in den beigefügten unabhängigen Patentansprüchen ausgeführt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 und 2 sind Ansichten zur Erläuterung eines konventionellen Computertomografie-Beobachtungsverfahrens;
Fig. 3 zeigt die Anordnung einer konventionellen Vorrichtung für das Erhalten eines Lichtabsorptionsverteilungsbildes;
Fig. 4 zeigt die Anordnung einer anderen konventionellen Vorrichtung für das Erhalten eines Lichtabsorptionsverteilungsbildes;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Twersky-Kurve der Streutheorie darstellt;
Fig. 6 ist eine Ansicht zur Erläuterung der optischen Eigenschaften eines Untersuchungsobjektes;
Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines durch eine finite Blendenöffnung erzeugten Beugungsmusters;
Fig. 8 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Zufallsbeugungsmusters, das durch ein Streuobjekt erzeugt wird;
Fig. 9 zeigt Reflexionsmuster an diffundierenden Ebenen;
Fig. 10 und 11 sind Ansichten zur Erläuterung des Prinzips der Bilderzeugung;
Fig. 12 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Bilderzeugung durch kohärentes Licht;
Fig. 13 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Bilderzeugung durch inkohärentes Licht;
Fig. 14 ist eine Ansicht zur Erläuterung von Fraunhoferschen Beugungen von ebenen und sphärischen Wellen;
Fig. 15 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Bilderzeugungsverfahrens;
Fig. 16 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Erfassungsprinzips eines optischen Systems;
Fig. 17 stellt ein optisches System für das Erfassen eines Spektrums nullter Ordnung mit zwei Blendenöffnungen dar;
Fig. 18 stellt ein genaues optisches Richtsystem dar, dessen Innenfläche mit einem absorbierenden Material beschichtet ist;
Fig. 19 und 20 zeigen eine Anordnung, bei der ein Spektrum nullter Ordnung mit einer Linse großer Brennweite erfaßt wird;
Fig. 21 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Grundprinzips eines genauen optischen Richtsystems, das eine Linse verwendet;
Fig. 22, 23, 26 und 27 stellen genaue optische Richtelemente dar;
Fig. 24 und 25 zeigen Ausführungen von optischen Systemen für die optische, mikroskopische Computertomografie;
Fig. 28 bis 31 stellen Ausführungen des genauen optischen Richtelementes gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 32 stellt eine Ausführung des genauen optischen Richtsystems dar, das ein Bündel von optischen Systemen umfaßt;
Fig. 33 ist eine konzeptionelle Ansicht, die ein Erfassungssystem zeigt;
Fig. 34 und 35 sind Ansichten zur Erläuterung von Erfassungsverfahren durch ein genaues optisches Richtsystem;
Fig. 36 stellt ein genaues optisches Richtsystem dar;
Fig. 37 stellt ein optisches System dar, welches ein Bündel von genauen optischen Richtsystemen des in Fig. 36 dargestellten Typs enthält;
Fig. 38 stellt ein optisches System dar, welches ein Bündel von Teleskopen enthält;
Fig. 39 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens für die Entnahme eines Spektrums nullter Ordnung;
Fig. 40 stellt verschiedene Ausführungen von Eintrittsblendenöffnungen und die entsprechenden Fraunhoferschen Beugungserscheinungen dar;
Fig. 41 zeigt das Verhältnis zwischen der Durchlässigkeitsgradverteilung der Pupillenfunktion und der Fraunhoferschen Beugungserscheinung;
Fig. 42 bis 49 zeigen Ausführungen eines genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystems, die in einem genauen optischen Richtsystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 50 bis 53 zeigen andere Ausführungen des genauen optischen Richtsystems;
Fig. 54 bis 57 zeigen andere Ausführungen des genauen optischen Richtsystems;
Fig. 58 und 59 zeigen andere Ausführungen des genauen optischen Richtsystems;
Fig. 60 zeigt die Funktion eines genauen optischen Richtsystems;
Fig. 61 bis 69 zeigen Beispiele von zweidimensionalen Fotodetektoren;
Fig. 70 und 71 sind konzeptionelle Ansichten, die Anwendungen darstellen, bei denen das genaue optische Richtsystem auf die biologische Laser-Abtast-Tomografie angewendet wird;
Fig. 72 zeigt die allgemeine Anordnung einer sektionalen optischen Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 73 ist ein Diagramm, das die Absorptionsgradkennwerte von Oxymyoglobin (sauerstoffangereichertes Myoglobin) und Deoxymyoglobin (desoxydiertes Myoglobin) in Bezug auf die Wellenlängen zeigt;
Fig. 74 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Zwei-Wellenlängen- Verfahrens und des Differenzspektrum-Verfahrens;
Fig. 75 ist ein Blockdiagramm, das die automatische Verstärkungsregelung für das Zwei-Wellenlängen-Erfassungsverfahren darstellt;
Fig. 76 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung des automatischen Verstärkungssystems auf ein Mehrelement-Erfassungssystem darstellt;
Fig. 77 ist ein Blockdiagramm, das ein Absorptionsgrad-Differenzerfassungssystem nach einem Abtast-Halteverfahren darstellt;
Fig. 78 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem das in Fig. 77 dargestellte Abtast-Halteverfahren auf ein Mehrelement-Erfassungssystem angewendet wird;
Fig. 79 und 80 sind Ansichten zur Erläuterung eines elektrischen Systems für das direkte Erfassen eines Verhältnisses durch Erfassen von Frequenzkomponenten;
Fig. 81 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem das in Fig. 79 dargestellte Erfassungssystem auf ein Mehrelement- Erfassungssystem angewendet wird;
Fig. 82 und 83 sind Ansichten zur Erläuterung eines Meßverfahrens zum Erfassen von extrem schwachen Licht;
Fig. 84 zeigt die Basisanordnung eines Detektors;
Fig. 85 und 86 sind Ansichten zur Erläuterung des Erfassungsprinzips;
Fig. 87 ist ein Diagramm, das beispielhaft eine Erfassungsschaltung darstellt;
Fig. 88 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Detektors zeigt, der dazu ausgelegt ist, Rauschen nach dem Zerhackerverfahren zu verringern;
Fig. 89 ist ein Wellenform-Diagramm;
Fig. 90 und 91 erläutern ein Beispiel, in dem das in Fig. 82 dargestellte Erfassungsverfahren auf das Zwei-Wellenlängen- Erfassungsverfahren angewendet wird;
Fig. 92 zeigt ein Beispiel, in dem das in Fig. 88 dargestellte Verfahren auf ein Mehrelement-Erfassungssystem angewendet wird;
Fig. 93 zeigt Absorptionsspektren von nahezu infrarotem Licht der Oberarme;
Fig. 94(a) zeigt ein sichtbares und nahezu infrarotes Absorptionsspektrum einer Oxyhämoglobin-Lösung und Fig. 94(b) zeigt ein Absorptionsspektrum von Myoglobin im sichtbaren Bereich;
Fig. 95 zeigt die nahezu infraroten Absorptionsspektren und die Absorptionsgraddifferenzen von Hb und Mb;
Fig. 96 zeigt das Absorptionsspektrum von gereinigter Zytochromoxidase;
Fig. 97 zeigt das Spektrum der relativen Fluoreszenzintensität von Pyridinnukleotid (NADH); und
Fig. 98 zeigt die Abhängigkeit von Indikatorsubstanzen auf die Sauerstoffkonzentration.
Als erstes werden die Grundprinzipien erläutert, die für die vorliegende Erfindung relevant sind.
Bezugnehmend auf Fig. 10 ist der Kohärenzgrad (der komplexe Kohärenzgrad), der die Korrelation zwischen Schwingungen von einem Paar von festen und beweglichen Punkten P&sub2; und P&sub1; in einer Ebene bestimmt, die durch eine quasi-monochromatische Lichtquelle ó von finiter Größe beleuchtet wird, gleich einer normalisierten Komplexamplitude an dem entsprechenden Punkt P&sub1; in einem Beugungsmuster, das bei P&sub2; zentriert ist, wobei das Beugungsmuster erzeugt wird, wenn die Lichtquelle durch eine Beugungs- Blendenöffnung ersetzt wird, welche die gleiche Größe und die gleiche Konfiguration wie die der Lichtquelle hat und wobei die Blendenöffnung mit einer sphärischen Welle angefüllt ist, die bei P&sub2; konvergiert und deren Amplitude an der Wellenfront der Intensität der Lichtquelle proportional ist. Das ist als von Cittert-Zernike-Theorem bekannt. Auf der Basis dieses Theorems wird eine Abbildungsgleichung erzeugt.
Zur Vereinfachung wird das folgende Problem zweidimensional behandelt. Unter der Annahme, daß eine sehr kleine Lichtquelle dX an dem Punkt X bei ó vorhanden ist, wie es in Fig. 11(a) dargestellt ist, und das Licht von dX kohärent ist, tritt das Licht durch eine Linse LC und ein Objekt O hindurch, um ein Spektrum O(s) an L zu bilden, das bei X (0-Frequenz) zentriert ist. Da ó und L in den gleichen Koordinaten X dargestellt sind und Ursprung von O (s) bei X liegt, ist eine Komponente, die durch L hindurchtreten kann, ein Teil davon. Als nächstes ergibt sich unter der Annahme, daß die Pupillenfunktion f ist und die Absorptions- und Wellenfront-Fehlerabweichung der Linse a(s) bzw. W(s) sind, wie in Fig. 11(b) dargestellt ist, der folgende Ausdruck:
f(s) = a(s) e-i(2π/λ)W(s) ( s ≤ 1) (1)
In Gleichung (1) liegt der Ursprung von f(s) im Schnittpunkt O der Pupille und der optischen Achse. Somit ist ein Spektrum, das durch f(s) hindurchtreten kann, O(s-X)f(s). Wenn die Intensität an dem Punkt X gleich 1 ist, wird das Spektrum, das durch die Pupille hindurchtritt, durch die Linse L einer inversen Fouriertransformation unterworfen, d. h. die komplexe Amplitude der Abbildung in der Abbildungsebene wird angegeben durch:
o'(u') = O(s - k)f(s)e2πiu'sds (2)
Somit wird die Intensität, die in der Abbildungsebene durch dX erzeugt wird, durch
i (u')dX = O(s - X)f(s)e2πiu'sds ² (3)
angegeben.
Die Gleichung (3) kann auch folgendermaßen interpretiert werden. Die komplexe Amplitude o'(u') der Abbildung in der Abbildungsebene wird durch
o'(u') = O(s' - X) f(s')e2πiu's'ds (4)
angegeben.
In Gleichung (4) ist die Variable s in s' verändert. Obwohl die Pupillenfunktion endlich ist, ist sie in den anderen Fällen 0. Daher werden die obere und die untere Grenze des Integrals mit und +∞ und -∞ bestimmt. Wenn in Gleichung (4) s' -X = f' ist, ist ds' = df'. Daher wird o'(u') durch
angegeben.
Wenn die Variable zu s" und s"-X = f" in der gleichen Weise umgeschrieben wird, wie die vorherige und die komplexe Konjugation von o'(u') durch o'*(u') dargestellt wird, wird sie durch
o' · (u') = e-2πiu'X O*(f") xf*(f" + X)e-2πiu'f"df" (6)
angegeben.
Wenn das über die gesamte effektive Lichtquelle c(X) integriert wird, ergibt sich:
I(u') = σ(X)i(u')dX (8)
Wenn die Gleichungen (5) und (6) in die Gleichung (7) eingesetzt werden und diese Einsetzung in Gleichung (8), ergibt sich:
I(u') = σ (X)dX O(f')O*(f") x f(f' + X) f* (f" + X)e2πiu'(f' - f") df'df" = σ (x) f(f' + X) f* (f" + X) x O (f') O* (f")e2πiu'(f'f")df'df"dX (9)
Hier ergibt sich bei Abtrennung des Integrals, welches X enthält:
σ (X) f (f' + X) f* (f" + X) dX = T(f', f") (10)
T wird als Kreuzmodulationskoeffizient bezeichnet. Wenn dieser in die Gleichung (9) eingesetzt wird, wird die folgende Abbildungsgleichung erhalten:
Gleichung (11) bedeutet, daß, wenn das Objektspektrum durch O(s) dargestellt wird, die Abb. I(u') gleich der Integration des Produktes der Interferenzstreifen, die durch Schwebungen der Spektren O(f') und O*(f") und der Masse T(f', f") erzeugt werden, über alle Frequenzen ist. T (f', f") ist nicht allein eine Funktion von f'-f". Selbst wenn f'-f" gleich ist, unterscheiden sich f' und f" in Abhängigkeit von der Position. Das bedeutet, selbst wenn die Schwebungsfrequenz f'-f" die gleiche ist, hängt T(f', f") von f' und f" ab und daher ist die Abbildungsgleichung ein nichtlineares Abbildungssystem, in dem ein gleiches T(f', f") nicht verwendet werden kann. Daher ist es im allgemeinen schwierig, eine Abbildungsanalyse durchzuführen.
Wenn man zum Beispiel annimmt, daß Licht durch eine sehr kleine Öffnung 3 in einer Objektebene Σ&sub0; übertragen wird, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, wird das Licht über ein Linsensystem 2 auf eine Abbildungsebene Σi aufgebracht, wo es eine Lichtintensitätsverteilung mit einer Randstreuung in ringförmiger Form um einen bestimmten Punkt darstellt, so daß die Lichtstrahlen von verschiedenen Punkten auf dem Objekt sich in der Abbildungsebene gegenseitig überlagern. Somit kann keine Abbildungsanalyse durchgeführt werden, wenn nicht alle Einflüsse der Überlagerung integriert sind.
Die Abbildungsgleichung kann in folgenden Fällen gelöst werden:
(a) Wenn σ(X) in einem kohärenten System unendlich ist:
T (f', f") ist nur eine Funktion von f = f' - f" und das System ist daher linear. T(f) wird in diesem Falle als Reaktionsfunktion (Empfindlichkeitsfunktion) bezeichnet. Bei einer inkohärenten Abbildungserzeugung wird an einem Punkt 4 in der Abbildungsebene Σi durch das Linsensystem 2 eine Abbildung eines sehr kleinen Bereiches 5 in der Objektebene Σ&sub0; erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt bildet die Lichtintensität eine scharfe Spitze an dem Punkt 4 der Abbildungsebene Σi, ohne eine ausgebreitete Intensitätsverteilung zu zeigen. Somit werden Abbildungen von verschiedenen Punkten an dem Objekt unabhängig in der Abbildungsebene erzeugt, ohne sich gegenseitig zu überlagern.
(b) Wenn σ(X) eine Punktquelle in einem kohärenten System ist:
In diesem Falle ist T(f', f") = const. Die Abbildungsgleichung (11) kann daher gelöst werden. T(f) wird in diesem Falle als Reaktionsfunktion bezeichnet.
(c) Im Falle eines annähernd linearen Systems:
In einem Falle, wenn das System teilweise kohärent und der größere Teil des Objektes transparent ist und das Objekt gestreute, blasse Abbildungen oder sehr kleine Objektpunkte enthält, geht der größte Teil des Beleuchtungslichtes geradlinig durch das Objekt. Daher ist nur das Spektrum nullter Ordnung groß, während die anderen Spektren höherer Ordnung sehr klein sind, so daß die Schwebungsfrequenzkomponente (f = f' - f") vernachlässigt werden kann. Da eine Abbildung hauptsächlich aus den Schwebungskomponenten nur des Spektrums f" = 0 und des Spektrums f' gebildet wird, gilt f' = f. Somit können die Abbildungscharakteristiken des Systems annäherungsweise allein durch f beschrieben werden.
Übrigens ist, wenn Laserlicht durch eine Blendenöffnung hindurchtritt, wie es in Fig. 14 (a) dargestellt ist, die Annahme möglich, daß unzählige Punktquellen 11 in der Blendenöffnung 10 vorhanden sind. Daher breitet sich das Licht in Form einer ebenen Welle, die sich in der gleichen Richtung fortbewegt, wie die des einfallenden Lichtes und in Form einer sphärischen Welle aus. Spezifischer ausgedrückt, das Strahlungsmuster des Streulichtes ist sphärisch während das Strahlungsmuster des übertragenen Lichtes, das sich in Form einer ebenen Welle ausbreitet, eine spitzwinklige Richtfähigkeit hat, wie es in Fig. 14(b) dargestellt ist. In einer Ebene P&sub3;, die sich in einem ausreichend weiten Abstand befindet, wird eine Fraunhofersche Beugungserscheinung beobachtet und die ebene Welle zeigt eine Intensitätsverteilung, bei der das Spektrum nullter Ordnung extrem groß ist, während die Spektren höherer Ordnung klein sind, wie es in der Form des übertragenen Lichtes 17 gezeigt ist. Andererseits zeigt, wie dargestellt, das Streulicht 18, das sich aus der sphärischen Welle ergibt, eine flache Intensitätsverteilung. Wenn jedoch eine Linse 13 auf halbem Weg angeordnet ist, bildet das Streulicht 19 ebenfalls ein Beugungsmuster, in dem das Spektrum nullter Ordnung relativ groß ist. An der Position, an der die Fraunhofersche Beugungserscheinung vorhanden ist, ist das Streulicht ausreichend abgeschwächt, so daß das Spektrum nullter Ordnung der ebenen Welle ausreichend groß ist, wie aus Fig. 14 (a) ersichtlich ist.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Kenntnisnahme dieses Punktes gemacht. Das bedeutet, wenn das Spektrum nullter Ordnung der Fraunhoferschen Beugungserscheinung allein beobachtet wird, da die Intensität des Spektrums groß ist, können die Informationen über das Beobachtungsobjekt zufriedenstellend erhalten werden und es können fast alle Streukomponenten eliminiert werden. Weiterhin kann, da nicht die Möglichkeit besteht, daß die Spektren höherer Ordnung der ebenen Welle einen Einfluß auf andere Positionen erzeugen, die vorher erwähnte Reaktionsfunktion linearisiert werden, um die Abbildungsanalyse zu vereinfachen. Genauer ausgedrückt wird, in einer Ebene P, die sich in einem Abstand R von der Lichtquelle s befindet und an der eine Fraunhofersche Beugungserscheinung beobachtet werden kann, wie in Fig. 15 dargestellt ist, die Lichtintensität in der Ebene O durch eine sehr kleine Lichtquelle Sie nur an der Position Pij erfaßt werden, welche der sehr kleinen Lichtquelle Sij in der Richtung der optischen Achse entspricht. Sie wird jedoch nicht an anderen Positionen P&sub1;, P&sub2; usw. erfaßt.
Fig. 16 ist eine Ansicht, in der die Bezugszahl 1 eine Spaltblende und 1a eine Blendenöffnung bezeichnet. Die in durchgehender Linie dargestellte Wellenform stellt eine Feldintensität dar und die in gestrichelter Linie dargestellte Wellenform eine Lichtintensität.
Im Falle einer Blendenöffnung mit einer kreisförmigen Öffnung kann an einer Position, die davon ausreichend weit entfernt ist, eine Fraunhofersche Beugungserscheinung beobachtet werden, wie die, welche in Fig. 16(a) dargestellt ist. Die Beugungserscheinung, bekannt als Airysches Beugungsscheibchen, enthält eine Anzahl von dunklen Ringen, wie es in Fig. 16(b) dargestellt ist. Der Bereich A innerhalb des ersten dunklen Ringes, d. h. der Teilbereich des Spektrums nullter Ordnung, ist der hellste Bereich. Wenn daher die Spaltblende 1, die eine Blendenöffnung mit einem Durchmesser aufweist, der gleich der Breite des Spektrums nullter Ordnung ist, d. h. gleich dem Durchmesser des ersten dunklen Ringes, angeordnet ist, um die Abbildungsbeobachtung durchzuführen, ist es möglich, nur das Spektrum nullter Ordnung zu erfassen und die Spektren höherer Ordnung zu eliminieren. Wenn diese Erfassung für jeden Punkt erzielt wird, tritt keine Interferenz zwischen den verschiedenen Positionen auf. Das bedeutet, daß es möglich ist, zu verhindern, daß sich der Einfluß des von Cittert-Zernike-Theorems auf die Abbildungserzeugung erstreckt. Daher kann, wenn ein sehr schwaches Informationslicht in dem Streulicht enthalten ist, wie es bei der optischen Computertomografie der Fall ist, das Informationslicht allein, getrennt von dem Streulicht, erfaßt werden. Obwohl natürlich das von Cittert-Zernike-Theorem innerhalb der Blendenöffnung gültig ist, ist in dem optischen System gemäß der vorliegenden Erfindung der Bereich, in dem dieses Theorem gültig ist, auf die kleinste Einheit der räumlichen Auflösung begrenzt.
Im Falle einer ebenen Welle kann die Bedingung, bei der eine Fraunhofersche Beugungserscheinung erzeugt wird, folgendermaßen ausgedrückt werden:
z> > r²max/2λ (12)
darin ist r der Blendenöffnungsdurchmesser der Lichtquelle und z die Ausbreitungsentfernung.
Somit ist es nur erforderlich, eine der Gleichung (12) entsprechende Entfernung festzulegen, um eine Fraunhofersche Beugungserscheinung zu erzeugen und dann das Spektrum nullter Ordnung davon zu erfassen.
Die Beugungserscheinung einer Blendenöffnung mit einer kreisförmigen Öffnung kann wie folgt ausgedrückt werden:
darin ist Dr der Durchmesser der Blendenöffnung, J&sub1; ist die Bessel-Funktion, λ die Wellenlänge und z die Länge der optischen Achse.
Der Radius Δρ des ersten dunklen Ringes des Airyschen Beugungsscheibchens kann wie folgt ausgedrückt werden:
Δρ = 0,61 · λz/Dr
Somit enthält der Bereich innerhalb des ersten dunklen Ringes 84% der gesamten Lichtmenge. Es ist daher möglich, die ebene Welle mit einem Verlust von 16% zu erfassen, indem Licht in den ersten dunklen Ring gebracht wird, der durch die Blendenöffnung gebildet wird. Andererseits schwächt sich die sphärische Welle in inverser Proportion zum Quadrat der Entfernung ab. Es ist daher möglich, eine Abbildungsbeobachtung mit hoher Auflösung durchzuführen, indem nur das Spektrum nullter Ordnung der Fraunhoferschen Beugungserscheinung hereingenommen wird.
Fig. 17 zeigt eine Ausführung des genauen optischen Richtsystems, die ausgelegt ist, eine Fraunhofersche Beugungserscheinung mit einem Spektrum nullter Ordnung mit zwei Blendenöffnungen zu erfassen.
Laserlicht von einer Lichtquelle 20 wird auf ein Untersuchungsobjekt 21 aufgebracht, und das übertragene Licht tritt durch einen Spalt P&sub1; und weiter durch einen Spalt P&sub2; hindurch, der von dem Spalt P&sub1; in einer Entfernung 1 angeordnet ist, die der Gleichung (12) genügt, um einen Lichtstrahl nullter Ordnung mit einem Detektor 23 zu erfassen.
Unter der Annahme, daß die Blendenöffnungsdurchmesser der Spalte P&sub1; und P&sub2; g gleich Dr bzw. D sind und die Wellenlänge des Laserlichtes λ und der Radius des ersten dunklen Ringes Δρ ist, gelten die folgenden Beziehungen:
D = 2Δρ = 1,22 · λ1/Dr (13)
Wenn λ = 500 nm, 1 = 6 m und Dr = 1 mm, dann ist D = 7,32 mm.
Fig. 18 zeigt eine andere Ausführung, die ein genaues optisches Richtsystem verwendet (dieser Ausdruck wird in dem gleichen Sinne verwendet wie hochauflösendes Lichtempfangssystem).
In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 30 ein genaues optisches Richtelement, 33 ein lichtabsorbierendes Material, 35 einen Kern und 37 einen Mantel.
Bezugnehmend auf Fig. 18 stellt das genaue optische Richtelement 30 zum Beispiel eine hohle, gerade, lange und dünne Glasfaser dar, deren Innenwandfläche mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet ist, zum Beispiel mit Kohlenstoff.
Unter der Annahme, daß Licht von einer Eintrittsendfläche 35 in das optische Element 30 eintritt, bewegen sich Strahlen, die parallel zu der optischen Achse des optischen Elementes 30 verlaufen, in geraden Linien und treten von einer Austrittsendfläche 37 aus, wogegen Strahlen, die winklig zu der optischen Achse verlaufen, auf die Wandoberfläche auftreffen und von dem absorbierenden Material 33 absorbiert werden, ohne von der Austrittsendfläche 37 auszutreten. Unter der Annahme, daß der Blendendurchmesser und die Länge des genauen optischen Richtelementes 33 D bzw. 1 sind und die Wellenlänge des einfallenden Lichtes λ, wird die Länge 1, bei der Lichtkomponenten, die nicht parallel zu der optischen Achse sind, absorbiert werden und eine Fraunhofersche Beugungserscheinung an der Austrittsendfläche 38 vollständig durch die ebene Welle gebildet wird, durch die folgende Beziehung ausgedrückt.
1 Dr²/λ
Mit anderen Worten, die Länge 1 ist eine Entfernung, in der eine Fraunhofersche Beugungserscheinung beobachtet werden kann.
So ist zum Beispiel im Falle λ = 6328 Å: wenn Dr = 10 mm, 1 = 600 m; wenn Dr = 1 mm, 1 = 6 m wenn Dr = 0,1 mm, 1 = 6 cm; wenn Dr = 0,01 mm, 1 = 0,6 mm, wenn Dr = 1 um, 1 = 6 um und wenn Dr = 0,5 um, 1 = 1,25 um.
Somit kann, wenn der Blendenöffnungsdurchmesser und die Länge des genauen optischen Richtsystems bezüglich des Meßobjektes richtig festgelegt sind und das optische Element im Vergleich zu dem Eintrittsblendenöffnungsdurchmesser ausreichend lang ist, von den Lichtstrahlen, die in das genaue optische Richtelement eintreten, nur die ebene Welle, die parallel zu der optischen Achse verläuft, von der Austrittsendfläche entnommen werden. Der Durchmesser des optischen Elementes muß jedoch im Vergleich zu der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ausreichend groß sein, um die ebene Welle fortzupflanzen. Wenn der Durchmesser in der Größenordnung des einfallenden Lichtes liegt, ist der Beugungseffekt groß, so daß die Lichtmenge, die der Austrittsendöffnung entnommen werden kann, äußerst gering ist. Wenn nur eine Fraunhofersche Beugungserscheinung nullter Ordnung zu erfassen ist, wird der Trennungsgrad des inkohärenten Streulichtes von einer ebenen Welle als ein Signallicht angegeben durch
Mit anderen Worten, je größer der Eintrittsblendendurchmesser Dr des genauen optischen Richtelementes im Vergleich zur Wellenlänge ist, desto mehr schwächt sich das Streulicht ab und desto besser kann das Streulicht von der ebenen Welle getrennt werden.
Fig. 19 und 20 zeigen andere Ausführungen, die eine Linse mit langer großer Brennweite verwenden (Teleskop).
Bezugnehmend auf Fig. 19 wird eine Linse mit großer Brennweite 25 verwendet, um auf der hinteren Brennebene eine Fraunhofersche Beugungserscheinung zu erzeugen, die durch eine Blendenöffnung an einer vorderen Brennebene entsteht. Dadurch wird eine Abstandsreduzierung möglich. Wenn eine solche Linse verwendet wird, kann auch der Blendenöffnungsdurchmesser D in der gleichen Weise erhalten werden, wie im Falle der Gleichung (13). Wenn λ = 500 nm ist, ist, wenn die Brennweite f = 1 m und Dr = 1 mm ist, D = 1,22 mm und wenn die Brennweite f = 5 m und Dr = 5 mm ist, ist D = 1,22 mm.
In der in Fig. 20 dargestellten Ausführung wird ein Untersuchungsobjekt 21 mit einer Laserlichtquelle 42 beleuchtet. Das übertragene Licht wird durch einen Zerhacker 42 unterbrochen und durch einen Detektor 46 synchron mit der Schaltperiode des Zerhackers 42 erfaßt, um dadurch langsame Drifterscheinungen, wie zum Beispiel Veränderungen der Energiequelle, Temperaturveränderungen usw. zu beseitigen.
Die nachfolgenden Ausführungen sind die Beschreibung eines Detektors, der für ein optisches System für die Verwendung in einer mikroskopischen, optischen Computertomographie geeignet ist.
Wie in Fig. 21 dargestellt, ist diese Ausführung so angeordnet, daß eine Beugungswelle, die durch eine Eintrittsblendenöffnung P&sub1; erzeugt wird, auf eine konvexe Linse L einfällt, und daß eine Blendenöffnung P&sub2; mit einem Durchmesser von annähernd dem Durchmesser des ersten dunklen Ringes der Beugungserscheinung in einer Brennebene der Linse L angeordnet ist, um dadurch den größeren Teil des Beugungsmusters nullter Ordnung zu entnehmen. Genauer ausgedrückt, der Durchmesser der Blendenöffnung P&sub2; ist nicht größer festgelegt, als der Durchmesser der Blendenöffnung P&sub1;. In diesem Falle kann die Eintrittsblendenöffnung P&sub1; die Blendenöffnung P&sub0; der Linse selbst sein. Zuerst wird das Verhältnis zwischen der Größe des Beugungsmusters nullter Ordnung und der Blendenöffnung P&sub1; bestimmt. Der Durchmesser D des ersten dunklen Ringes des Airyschen Beugungsscheibchens, das erzeugt wird, wenn eine Beugungserscheinung durch die Linse erzeugt wird, ist gegeben durch:
D = 2,44 λ f/Dr (14)
Darin ist Dr der Durchmesser der Blendenöffnung P&sub1; und f ist die Brennweite der Linse L. Die Bedingung, bei der der Blendenöffnungs-durchmesser Dr den Durchmeser des ersten dunklen Ringes D überschreitet, ist gegeben durch:
Dr² ≥ 2,44 λ f (15)
Es ist äußerst leicht, ein genaues optisches Richtelement zu erzeugen, das der vorher angeführten Bedingung genügt, indem man eine konvexe Linse verwendet. Dazu einige numerische Beispiele. Wenn Licht mit einer Wellenlänge λ von 500 nm verwendet wird, ist, wenn eine konvexe Linse mit einer Brennweite f von 5 cm für einen Blendenöffnungsdurchmesser Dr von 1 mm verwendet wird, der Durchmesser D des ersten dunklen Ringes des Airyschen Beugungsscheibchens 6,1 · 10&supmin;² m, und wenn eine konvexe Linse mit einer Brennweite f von 10 mm verwendet wird, ist der Durchmesser D des ersten dunklen Ringes 1,22 · 10&supmin;¹ mm. Somit ist verständlich, daß diese konvexen Linsen der Bedingung von Gleichung (15) genügen. Wenn ein genaues optisches Richtelement, das der Bedingung von Gleichung (15) genügt, als eine Einheit verwendet wird, besteht selbst dann, wenn eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen dicht aneinander angrenzend angeordnet ist, um alle einfallenden ebenen Wellen zu erfassen, keine Gefahr, daß sich die aneinander angrenzenden Elemente gegenseitig stören, so daß es möglich ist, zum Beispiel eine Absorptionsabbildung, die von einer sich in ihrer Intensität mit der Position verändernden ebenen Welle getragen wird, mit hoher Auflösungsleistung zu erfassen.
Ein spezifisches Beispiel eines genauen optischen Richtelementes wird als nächstes erläutert. Fig. 22 zeigt ein genaues optisches Richtelement, das eine Objektivlinse Ob enthält, z. B. eine Mikroskop-Objektivlinse, die der Beziehung von Gleichung (15) entspricht und eine Blendenöffnung P hat, die in einer Brennebene der Linse Ob angeordnet ist, wobei die Blendenöffnung P ausgestaltet ist, nur eine Fraunhofersche Beugungserscheinung nullter Ordnung durchzulassen, die durch die Objektivlinse Ob erzeugt wird. Fig. 23(a) zeigt eine andere Form einer konvexen Linse GL, die als SELFOC-Linse (Marke) bekannt ist und die auch als Gradientenlinse bezeichnet wird. Die Linse GL, bei der sich der Brechungsindex allmählich von der zentralen Achse zur Peripherie hin verringert, erfüllt eine Verdichtungsfunktion in der gleichen Weise, wie im Falle einer konvexen Linse. Bei richtiger Wahl der Länge der Linse GL kann die Brennebene mit der Endfläche eines kreisförmigen Zylinders zusammenfallend gestaltet werden. Eine Blendenöffnung P ist ähnlich, wie die in Fig. 22 dargestellte, in der Brennebene an einem Ende der Gradierungslinse GL angeordnet, wie in Fig. 23(b) dargestellt ist, wodurch es möglich wird, das nur ein Beugungsmuster nullter Ordnung hindurchtritt, das von der Fraunhofernschen Beugungserscheinung erzeugt ist.
Fig. 24 bzw. 25 zeigen Ausführungen von optischen Systemen für die mikroskopische optische Computertomografie.
Bezugnehmend auf Fig. 24 wird Laserlicht auf ein Untersuchungsobjekt O aufgebracht, nachdem es durch eine Verdichtungslinse L&sub1; verengt wurde. Das Untersuchungsobjekt O ist in der Nähe des vorderen Brennpunktes einer Objektivlinse L&sub2; angeordnet, so daß eine vergrößerte Abbildung davon beobachtet werden kann. Die Abbildung des Untersuchungsobjektes O wird durch ein Okular L&sub3; vergrößert, dessen vorderer Brennpunkt sich an der Position des hinteren Brennpunktes der Objektivlinse L&sub2; befindet, und die vergrößerte Abbildung wird durch eine Blendenöffnung in einer Ebene P erfaßt. Jede Brennweite f&sub1; der Objektivlinse L&sub2; und jede Brennweite f&sub2; des Okulars L&sub3; ist so eingestellt, daß f&sub2;> > f&sub1; ist, so daß eine Fraunhofersche Beugungserscheinung beobachtet werden kann. Bei dieser Ausführung kann die gesamte Abbildung der Probe durch Abtasten der Probenoberfläche mit Laserlicht beobachtet werden. Es sollte bemerkt werden, daß die gestrichelte Linie in der Figur den optischen Weg des Streulichtes darstellt, das in Form einer Kugelwelle diffundiert und sich abschwächt.
In der in Fig. 25 dargestellten Ausführung wird Laserlicht auf ein Untersuchungsobjekt O aufgebracht, nachdem es durch eine Verdichtungslinse L&sub1; verengt wurde, und durch eine Objektivlinse L&sub2; wird eine vergrößerte Abbildung des Untersuchungsobjektes O erzeugt. Darauf wird, während die Streukomponente durch eine Linse mit großer Brennweite (Teleskop) 53 abgeschwächt wird, ein Beugungsmuster nullter Ordnung beobachtet. Es sollte bemerkt werden, daß Licht, welches hereingenommen werden soll, durch einen Zerhacker 52 unterbrochen ist und synchron mit der Wirkung des Zerhackers erfaßt wird, wodurch langsame Drifterscheinungen, wie zum Beispiel Energiequellenveränderungen, Temperaturveränderungen usw. beseitigt und somit eine Verbesserung der Auflösung ermöglicht wird.
Zu den bekannten Lichtleitfasern zählen die Multimode-Lichtleitfaser, die Gradientenlichtleitfaser, die Monomode-Lichtleitfaser usw. Davon hat die Monomode-Lichtleitfaser einen äußerst geringen Kerndurchmesser und läßt nur Licht durch, das in die Kernendfläche am Eintrittsende eintritt und kein Licht, das einen großen Winkel zu der Achse aufweist. Eine solche Monomode-Lichtleitfaser kann anstelle der Blendenöffnung P in Fig. 22 bis 23 (b) verwendet werden. Weil die Blendenöffnung der Monomode-Lichtleitfaser mit dem ersten dunklen Ring einer Fraunhoferschen Beugungserscheinung übereinstimmt, die durch die Objektivlinse Ob oder die Gradientenlinse GL erzeugt wird, ist die Monomode-Lichtleitfaser bequem zu verwenden, um nur ein Beugungsmuster nullter Ordnung, das durch die Fraunhoferbeugung erzeugt wird, zu übertragen. Weiterhin kann, weil eine solche Lichtleitfaser als Austrittsteil verwendet wird, das erfaßte Licht direkt zu jeder gewünschten Stelle geleitet werden, die vom Gesichtspunkt der Anordnung her vorteilhaft ist.
Fig. 26 zeigt eine Ausführung des genauen optischen Richtelementes, die eine Objektivlinse Ob und eine Monomode-Lichtleitfaser SM enthält, die an einem Brennpunkt der Linse Ob angeordnet ist.
Fig. 27 zeigt eine Ausführung des genauen optischen Richtelementes, das eine Gradientenlinse GL und eine Monomode- Lichtleitfaser SM enthält, die im Brennpunkt der Linse GL an einem Ende davon angeordnet ist. Im Falle eines Okulars oder ähnlichem ist es möglich, den ersten dunklen Ring der Fraunhoferschen Beugungserscheinung gleich der Blendenöffnung einer Multimode-Lichtleitfaser zu gestalten. So kann zum Beispiel der erste dunkle Ring durch Einsetzen einer kleinen Blendenöffnung vor der Linse mit der Blendenöffnung einer Multimode-Lichtleitfaser übereinstimmend gestaltet werden. In einem solchen Falle kann ebenfalls eine Multimode-Lichtleitfaser verwendet werden.
Die ebene Welle, die durch das vorher erwähnte genaue optische Richtelement hindurchgetreten ist, tritt aus dem Element in Form einer sphärischen Welle aus. In einem Falle, wenn ein Fotodetektor hinter der Blendenöffnung P angeordnet ist, um den Absorptionsgrad zu messen, kann zum Beispiel das austretende Licht divergent sein. Wenn jedoch eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen gebündelt ist, ist es vorteilhaft, die optischen Elemente so anzuordnen, daß das Licht daraus in Form einer ebenen Welle austritt.
Fig. 28 bis 31 stellen Ausführungen der Erfindung zum Erreichen dieses Ziels dar. In der in Fig. 28 dargestellten Ausführung ist eine Objektivlinse Ob2, die einer Objektivlinse Ob1 an der Eintrittsseite gleicht, an der Austrittsseite so angeordnet, daß der Brennpunkt der Linse Ob2 mit einer Blendenöffnung P zusammenfällt, die auf halbem Wege zwischen beiden Linsen angeordnet ist, so das ein Beugungsmuster nullter Ordnung durch die Blendenöffnung P hindurchtritt, um in eine sphärische Welle umgewandelt zu werden, die durch die Objektivlinse Ob2 zu einer ebenen Welle zurückgewandelt wird. In der in Fig. 29 dargestellten Ausführung ist eine Gradientenlinse GL1 mit einer Blendenöffnung P in der gleichen Weise angeordnet, wie in Fig. 23(b), und eine Gradientenlinse GL2, die gleich der Linse GL1 ist, ist in konfokaler Weise angeordnet. In der in Fig. 30(a) dargestellten Ausführung wird anstelle der in Fig. 28 dargestellten Blendenöffnung P eine Monomode-Lichtleitfaser SM verwendet. Es sollte bemerkt werden, daß jede Linse des Paares von Objektivlinsen Ob1 und Ob2 durch eine Gradientenlinse GL ersetzt werden kann, wie es in Fig. 30(b) dargestellt ist. In diesem Falle ist es erforderlich, daß der erste dunkle Ring der Fraunhoferschen Beugungserscheinung, der durch die Gradientenlinse GL erzeugt wird, annäherungsweise mit dem ersten dunklen Ring übereinstimmt, der durch die Objektivlinse Ob1 oder Ob2 erzeugt wird. In der in Fig. 31 erzeugten Ausführung wurde anstelle der in Fig. 29 dargestellten Blendenöffnung P eine Monomode-Lichtleitfaser SM verwendet.
Jedes der vorher beschriebenen genauen optischen Richtelemente kann nicht gleichzeitig alle Bereiche einer ebenen Welle erfassen, die eine zweidimensionale Verteilung aufweist. Daher kann eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen zweidimensional angeordnet werden, um ein genaues optisches Mehrstrahlen-Richtsystem zu erzeugen.
Fig. 32 zeigt eine Ausführung eines hochauflösenden optischen Systems, das eine Anzahl von optischen Systemen enthält, die gebündelt sind, um eine Gesamtabbildung eines zu beobachtenden Untersuchungsobjektes zu jeweils einer Zeit zu ermöglichen.
Eine optische Vorrichtung 60 enthält die genauen optischen Richtelemente 61, wie sie vorher beschrieben sind. Die Entfernung 1 ist auf eine Länge festgelegt, die der Gleichung (12) genügt und D ist ein Durchmesser, welcher es ermöglicht, ein Beugungsmuster nullter Ordnung zu entnehmen. Die Verwendung von solchen optischen Elementen ermöglicht die Beobachtung einer klaren Objektabbildung, da die Austrittsenden der optischen Elemente voneinander unabhängig sind und daher keine Interferenz zwischen den Positionen auftritt, die den benachbarten Elementen entsprechen.
Fig. 33 stellt dieses Konzept dar. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 100 ein genaues optisches Richtsystem, 181 eine Laserlichtquelle, 170a einen Absorber, 170b und 170c Streueinrichtungen und 186 eine Linse.
Wie dargestellt, enthält das Meßobjekt, zum Beispiel ein lebender Körper, die Streueinrichtungen 170b, 170c und den Absorber 170a, die nebeneinander vorhanden sind. Durch Beleuchten des Objektes mit Laserlicht und Erfassen des übertragenen Lichtes mit dem optischen System der vorliegenden Erfindung wird die durch die Streueinrichtungen 170b und 170c erzeugte Streukomponente eliminiert, so daß nur die durch den Absorber 170a erzeugte Absorptionskomponente erfaßt werden kann.
Die Erfassung durch das optische System wird direkt durch einen Detektor 180 bewirkt, wie es in Fig. 34(a) dargestellt ist. Es kann auch Opalglas 183 zwischen dem optischen System 100 und dem Detektor 180 eingesetzt werden, um die Abbildung zu glätten, die in Form einer Gruppe von diskontinuierlichen Lichtstrahlen in einer klaren Abbildung beobachtet wird, wie in Fig. 34(b) dargestellt ist.
Die Erfassung des Ausgangslichtes von dem optischen System kann durch Abtasten des optischen Systems mit einem Punktdetektor 185 in Richtung der X- und Y-Achse erfolgen, wie es in Fig. 35a dargestellt ist. Das Ausgangslicht kann aber auch, wie in Fig. 35(b) dargestellt ist, durch Abtasten des optischen Systems 120 mit einem eindimensionalen Felddetektor 187 in einer Richtung erfolgen, wie zum Beispiel in der Figur in Richtung der Y-Achse. Es ist auch möglich, die Ausgangslichtstrahlen gleichzeitig mit einem zweidimensionalen Detektor 189 zu erfassen, wie es in Fig. 35(c) dargestellt ist.
Es kann Laserlicht von einem kontinuierlichem Farbstofflaser, von einem Impuls-Farbstofflaser, von einem YAG-Laser (Yttriumaluminiumgranat-Laser), von einem Halbleiterlaser usw. verwendet werden. Beispiele für Detektoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind Halbleiterdetektoren, die Lichtstrahlen im sichtbaren Bereich und im nahezu infraroten Bereich erfassen können, wie zum Beispiel eine Fotodiode, eine Fotodiodenanordnung, eine MOS-Anordnung (Metalloxid-Halbleiteranordnung), ein CCD-Sensor (ladungsgekoppelter Halbleitersensor) und fotoelektrische Emissionsdetektoren, wie zum Beispiel ein Bild-Orthikon (speichernde Bildaufnahmeröhre), ein Vidikon (Bildaufnahmeröhre) usw. Anwendbare Beispiele von Detektoren mit Vervielfacherfunktion sind einer Kombination einer Dynode oder einer Avalanche-Diode (Lawinendiode) und eines Sekundärelektronendetektors, eines Detektors, in dem die Sekundärelektronenvervielfachung durch eine Mikrokanalplatte und eine fluoreszierende Abbildung auf einem fluoreszierenden Schirm durch eine Diodenanordnung, ein Vidikon, ein Bild-Orthikon oder ähnliches usw. erzielt wird.
Fig. 36 zeigt ein genaues optisches Richtelement, das in der sektionalen Bilderzeugungseinrichtung verwendet wird. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 100 ein genaues optisches Richtelement, 103 ein lichtabsorbierendes Material, 105 einen Kern und 107 einen Mantel.
Bezugnehmend auf Fig. 36(a), die eine Anordnung darstellt, welche der in Fig. 18 dargestellten Anordnung äquivalent ist, enthält das genaue optische Richtsystem 100 zum Beispiel eine hohle, gerade, lange und dünne Glasfaser, deren Innenwandfläche mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet ist, zum Beispiel mit Kohlenstoff. Strahlen, die parallel zu der optischen Achse des optischen Elementes 100 verlaufen, bewegen sich geradlinig und treten von einer Austrittsendfläche 107 aus, während Strahlen, die in einem Winkel zu der optischen Achse verlaufen, auf die Wandoberfläche auftreffen und durch das absorbierende Material 103 absorbiert werden, ohne von der Austrittsendfläche 107 auszutreten.
Fig. 36(b) zeigt eine Anordnung, bei der im Gegensatz zu gewöhnlichen Lichtleitfasern der Brechungsindex eines Kerns 109 kleiner ist, als der eines Mantels 111. Somit werden Strahlen, welche nicht parallel zu der optischen Achse verlaufen, gestreut und gehen verloren, ohne insgesamt durch den Mantel 111 reflektiert zu werden. Selbst dann, wenn solche Strahlen teilweise reflektiert werden, gehen alle die Strahlen außerhalb des optischen Elementes verloren, die nicht parallel zu der optischen Achse verlaufen, wobei sich die Reflexion mehrfach wiederholt. Letztendlich kann nur eine ebene Welle, die parallel zu der optischen Achse verläuft, von der Austrittsendfläche 107 entnommen werden. Die in Fig. 36(a) und 36(b) dargestellten Anordnungen können untereinander kombiniert werden, d. h. die Innenfläche des Mantels 111 kann mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet sein.
Fig. 37 zeigt eine Ausführung, die eine Anzahl von genauen optischen Richtelementen des in Fig. 36 dargestellten Typs enthält, die in Kreiszylinderform gebündelt sind. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 120 eine genaues optisches Richtsystem und 121 ein Strahlungsrichtmuster. Das Richtvermögen wird durch die Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes und den Durchmesser D des optischen Elementes 100 bestimmt. Je kleiner der Durchmesser D ist, desto näher liegt man an der Strahlung in Form einer sphärischen Welle.
Wenn eine Anzahl von genauen optischen Richtelementen 100 in Kreiszylinderform gebündelt sind, um ein genaues optisches Richtsystem 120 zu bilden, wie es dargestellt ist, kann das austretende Licht, das durch das Strahlungsrichtmuster 121 dargestellt wird, von jedem genauen optischen Richtelement erhalten werden. Wenn daher Licht, das gestreute Strahlen enthält, und eine ebene Welle auf die Austrittsendfläche einfallend gelenkt wird, wird das Licht zu einer nahezu punktförmigen Quelle als Fraunhofersche Beugungserscheinung, die durch die ebene Welle erzeugt wird, und tritt von der Austrittsendfläche 107 aus. Durch Erfassen dieses Lichtes kann im Endergebnis nur die ebene Welle erfaßt werden. Daher kann, wenn die lichtaufnehmende Oberfläche des genauen optischen Richtsystems 120 ausgestaltet ist, eine vorbestimmte Größe aufzuweisen, das durch einen menschlichen Körper o. ä. übertragene Licht gleichzeitig in einem vorbestimmten Bereich erfaßt werden, so daß das optische System 120 als Hochauflösungsdetektor für das Erreichen einer sektionalen Abbildung verwendet werden kann.
Fig. 38 zeigt eine Ausführung, die ein Bündel von optischen Elementen darstellt, von denen jedes eine Linse mit großer Brennweite verwendet, wie in Fig. 19 und 20 dargestellt, um in der Brennebene eine Fraunhofersche Beugungserscheinung zu erzeugen und dadurch die Länge des optischen Systems zu verringern. Somit kann durch die Verwendung eines relativ kurzen optischen Systems eine sektionale optische Abbildung erhalten werden.
Übrigens ist das vorher beschriebene optische System ausgelegt, die Komponenten einer Fraunhoferschen Beugungserscheinung, die von höherer Ordnung sind, durch die Verwendung einer kreisförmigen Blendenöffnung auszublenden, um nur das Spektrum nullter Ordnung zu erfassen, wie es in Fig. 39(a) dargestellt ist, und dieses System kann als einer Funktion, wie sie in Fig. 39(b) dargestellt ist, äquivalent betrachtet werden. Das dargestellte Muster entspricht der Anordnung des optischen Systems, in dem die Blendenöffnung am Eintritt eine kreisförmige Form aufweist. Wenn die Form der Eintrittsblendenöffnung variiert wird, verändert sich das Fraunhofersche Beugungsspektrum wie in Fig. 40 gezeigt ist.
Fig. 40(a) zeigt eine kreisförmige Eintrittsblendenöffnung; Fig. 40(b) stellt eine kreisringförmige Eintrittsblendenöffnung dar; Fig. 40(c) zeigt eine spaltförmige, kreisringförmige Eintrittsblendenöffnung und Fig. 40(d) stellt die Fraunhoferschen Beugungsspektren dar, die diesen Eintrittsblendenöffnungen entsprechen. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, zeigen die drei verschiedenen Eintrittsblendenöffnungsformen ähnliche Fraunhofersche Beugungsmuster mit einer geringen Differenz in der Breite des Spektrums nullter Ordnung. Im Falle einer rechteckigen Eintrittsblendenöffnung wird eine Fraunhofersche Beugungserscheinung erzeugt, in der kreisförmige Muster orthogonal um die optische Achse ausgerichtet sind. Jede der vorher beschriebenen Formen kann für die vorliegende Erfindung verwendet werden, solange die anderen Spektren als das Spektrum nullter Ordnung durch eine Blendenöffnung ausgeblendet werden.
Fig. 41 ist eine Ansicht zur Erläuterung von Fraunhoferschen Beugungserscheinungen, die erzeugt werden, wenn der Durchlässigkeitsgrad einer Pupille eines genauen optischen Richtsystems verändert wird.
Wenn der Durchlässigkeitsgrad der Pupille konstant ist (I), wie in Fig. 41(a) dargestellt ist, wird eine Fraunhofersche Beugungserscheinung erzeugt, die in Fig. 41 (b) dargestellt ist. Wenn sich der Durchlässigkeitsgrad der Pupille entlang einer quadratischen Kurve so verändert, daß der Durchlässigkeitsgrad im Mittelpunkt der geringste ist (II), wird eine Fraunhofersche Beugungserscheinung II erzeugt, während eine Fraunhofersche Beugungserscheinung III erzeugt wird, wenn sich der Durchlässigkeitsgrad der Pupille entlang einer quadratischen Kurve so verändert, daß der Durchlässigkeitsgrad im Mittelpunkt der größte ist (III). Der Typ II ermöglicht die geringste Breite des Spektrums nullter Ordnung und ermöglicht somit eine Erhöhung der räumlichen Auflösungsleistung. Im Falle von Typ III ist die Breite des Spektrums nullter Ordnung relativ groß, so daß sich die räumliche Auflösungsleistung verringert. Sowohl beim Typ II als auch beim Typ III ist der Energieverlust des aufgenommenen Lichtes im Vergleich zu dem Typ I groß. Die Breite des Fraunhoferschen Beugungsmusters nullter Ordnung wird jedoch als Ausgleich für den Energieverlust verändert. Somit sollte, wenn es gewünscht wird, das Fraunhofersche Beugungsspektrum nullter Ordnung an dem Ausgang des genauen optischen Richtelementes zu verändern, der vorher beschriebene Annäherungsprozeß an das Optimum zu Lasten der aufgenommenen Lichtenergie erzielt werden.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf Fig. 42 bis 45 Ausführungen des genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystems erläutert, in dem das austretende Licht gestreutes Licht ist. Das in Fig. 42 dargestellte genaue optische Richtsystem ist einer Anordnung äquivalent, die eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen des in Fig. 23(a) dargestellten Typs erfaßt, die Seite-an-Seite zueinander angeordnet sind. Zuerst wird eine große Anzahl von gleichen Gradientenlinsen GL regelmäßig aufgestapelt und mit Hilfe eines Klebstoffes B verbunden, der zum Beispiel ein schwarzes Silikonharzmaterial sein kann, so daß kein Licht durch Spalte zu der Rückseite durchgelassen werden kann, was ansonsten erfolgen würde. Dadurch wird ein Gradientenlinsenanordnung GA gebildet. Eine Blendenöffnungsanordnung PA wird mit der hinteren Fläche der Gradientenlinsenanordnung GA in engen Kontakt gebracht. Jede Blendenöffnung in der Blendenöffnungsanordnung ist so vorgesehen, daß sie mit der Achse der entsprechenden Gradientenlinse GL übereinstimmt. Wenn somit eine ebene Welle, die eine zweidimensionale Intensitätsverteilung aufweist, in die Gradientenlinsenanordnung GA von deren Vorderseite her eintritt, differieren die Intensitäten der Lichtstrahlen, die durch die Blendenöffnungen in der Blendenöffnungsanordnung PA hindurchtreten, gemäß der Intensitätsverteilung voneinander. Es ist daher möglich, die zweidimensionale Intensitätsverteilung der ebenen Welle durch Anordnung getrennter Fotodetektoren an der Rückseite der jeweiligen Blendenöffnungen oder eines zweidimensionalen Fotodetektors an der Rückseite der Blendenöffnungsanordnung PA zu messen. Das optische Mehrstrahlen-Richtsystem, das in Fig. 43 dargestellt ist, ist einer Anordnung äquivalent, bei der eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen des in Fig. 22 dargestellten Typs Seite-an-Seite zueinander angeordnet ist. In diesem Falle wird jedoch eine Mikrolinsenplatte PM anstelle der Objektivlinsenanordnung verwendet. Die Mikrolinsenplatte PM kann durch regelmäßiges Ausbilden von sehr kleinen Linsen in Form einer Anordnung auf einer durchsichtigen Platte, zum Beispiel unter Anwendung einer fotolithografischen Technologie oder durch regelmäßiges Ausbilden von Gradientenlinsen in Form einer Anordnung durch eine Technologie, z. B. durch Ionenaustausch, Ionenimplantation usw. erzeugt werden. Darauf wird eine Blendenöffnungsanordnung PA, die Blendenöffnungen an jeweiligen Positionen aufweist, welche den Brennpunkten der sehr kleinen Linsen entsprechen, in der Brennebene der Mikrolinsenplatte PM angeordnet, wodurch es möglich ist, ein genaues optisches Mehrstrahlen-Richtsystem zu erzeugen, daß dem in Fig. 42 dargestellten System gleicht. Das genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem, das in Fig. 44 dargestellt ist, ist einer Anordnung äquivalent, bei der eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen des in Fig. 27 dargestellten Typs, Seite-an-Seite zueinander angeordnet ist. Spezifischer ausgedrückt, eine Monomode-Lichtleitfaseranordnung SA, die durch Anordnen einer großen Anzahl von Monomode-Lichtleitfasern SM in Übereinstimmung mit den jeweiligen Achsen der in Fig. 42 dargestellten Gradientenlinsen der Gradientenlinsenanordnung GA ausgebildet ist, wird in engen Kontakt mit der hinteren Fläche der Linsenanordnung GA gebracht. Das bedeutet, daß die Mononomode-Lichtleitfaseranordnung SA anstelle der in Fig. 42 dargestellten Blendenöffnungsanordnung PA verwendet wird, um ein optisches System zu bilden, das eine gleiche Funktion erfüllt. Das genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem, das in Fig. 45 dargestellt ist, verwendet einen Monomode-Lichtleitfasermodul SH, der gleich der Mononomode- Lichtleiteranordnung SA ist, anstelle der in Fig. 43 dargestellten Blendenöffnungsanordnung PA. Der Modul SH enthält Trägereinrichtungen S. von denen jede eine große Anzahl von Blendenöffnungen aufweist, von denen jede in dem Brennpunkt der entsprechenden sehr kleinen Linse der Mikrolinsenplatte PM zentriert ist und einen Durchmesser gleich dem einer Monomode-Lichtleitfaser SM hat, und Monomode-Lichtleitfasern 514, die regelmäßig angeordnet sind, wobei die Eintritts- und Austrittsenden jeder Monomode-Lichtleitfaser SM in die entsprechenden Öffnungen eingesetzt sind.
Die genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsysteme, die in Fig. 42 bis 45 dargestellt sind, sind so angeordnet, daß das austretende Licht divergentes Licht ist, wie vorher angeführt wurde. Wenn das austretende Licht in Form von divergentem Licht von dem Austrittspunkt an der hinteren Fläche der Blendenöffnungsanordnung PA o. ä. austritt, kann ein Detektor, wie zum Beispiel ein zweidimensionaler Fotodetektor, nicht in einer großen Entfernung von der Blendenöffnungsanordnung PA o. ä. angeordnet werden (d. h. wenn der erstere von dem letzteren in einer großen Entfernung beabstandet ist, stören sich die benachbarten Kanäle untereinander, so daß die Intensitätsverteilung nicht gemessen werden kann). Ausführungen von genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystemen, die austretendes Licht in Form einer ebenen Welle abgeben können, welches eine gleiche Verteilung wie die des einfallenden Lichtes aufweist, werden unter Bezugnahme auf Fig. 46 und 47 als nächstes erläutert. Das in Fig. 46 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem ist einer Anordnung äquivalent, bei der eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen des in Fig. 29 dargestellten Typs Seite-an-Seite zueinander angeordnet ist.
Dieses optische System wird durch Ausbilden einer Blendenöffnungsanordnung PA zwischen zwei Gradientenlinsenanordnungen GA1 und GA2 erzeugt, welche in Verbindung mit Fig. 42 erläutert sind und indem diese drei Bauelemente in engen Kontakt miteinander gebracht werden, wobei die Achse jeder Gradientenlinse mit der entsprechenden Blendenöffnung in der Blendenöffnungsanordnung PA ausgerichtet ist. Bei dieser Anordnung tritt eine einfallende ebene Welle mit einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus, die eine gleiche zweidimensionale Intensitätsverteilung aufweist, wobei das Streulicht durch das genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem eliminiert ist. Daher kann selbst dann, wenn ein Detektor, zum Beispiel ein zweidimensionaler Fotodetektor, in einer bestimmten Entfernung von dem genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystem angeordnet ist, eine zweidimensionale Intensitätsverteilung gemessen werden. Das in Fig. 47 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem wird durch konfokales Anordnen einer zweiten Mikrolinsenplatte PM2 an der Rückseite des in Fig. 43 dargestellten genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystems gebildet. Das in Fig. 48 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem ist einer Anordnung äquivalent, in der eine große Anzahl von genauen optischen Richtelementen des in Fig. 31 dargestellten Typs Seite-an-Seite zueinander angeordnet sind. Eine ausführliche Beschreibung ist nicht erforderlich. Das in Fig. 49 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem wird durch Anordnen einer zweiten Mikrolinsenplatte PM2 an der Rückseite des in Fig. 45 dargestellten genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystems gebildet, so daß der vordere Brennpunkt jeder Linse der zweiten Mikrolinsenplatte PM2 mit dem Kern am Austrittsende der entsprechenden Monomode-Lichtleitfaser des Moduls SH übereinstimmt.
Durch Kombination eines genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystems, wie des in den Fig. 42 bis 49 dargestellten, und eines zweidimensionalen Fotodetektors, ist es möglich, ein genaues optisches Richtsystem zu bilden, das mit hoher Empfindlichkeit eine ebene Welle mit einer Intensitätsverteilung erfassen kann, welche aus einer vorbestimmten Richtung einfällt, wobei sie von dem Hintergrundlicht, wie zum Beispiel Streulicht, getrennt wird.
Fig. 50 zeigt ein genaues optisches Richtsystem, welches das in Fig. 42 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem 502 und einen zweidimensionalen Fotodetektor 500 enthält, der an der Austrittsseite des optischen Systems 502 angeordnet ist. Fig. 51 zeigt ein genaues optisches Richtsystem, welches das in Fig. 43 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem und einen zweidimensionalen Fotodetektor 500 enthält, der an der Austrittsseite des optischen System 503 angeordnet ist. Fig. 52 stellt ein genaues optisches Richtsystem dar, welches das in Fig. 44 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem 504 und einen zweidimensionalen Fotodetektor 500 enthält, der an der Austrittsseite des optischen Systems 504 angeordnet ist. Fig. 53 zeigt ein genaues optisches Richtsystem, welches das in Fig. 45 dargestellte genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem 505 und einen zweidimensionalen Fotodetektor 500 enthält, der an der Austrittsseite des optischen Systems 505 angeordnet ist.
In den in Fig. 50 bis 53 dargestellten genauen optischen Richtsystemen ist das Licht, welches von den genauen optischen Richtsystemen 502 bis 504 austritt, Licht, das von jeder Blendenöffnung in der Blendenöffnungsanordnung PA oder von dem Austrittsende jeder Monomode-Lichtleitfaser, wie dargestellt, divergiert. Wenn daher die fotoelektrische Konversionsoberfläche 501 des zweidimensionalen Fotodetektors 500 in einem großen Abstand von der Austrittsendfläche jedes der genauen optischen Mehrstrahlen- Richtsysteme 502 bis 504 angeordnet ist, interferieren die benachbarten Kanäle untereinander, so daß die Intensitätsverteilung nicht genau gemessen werden kann. Daher muß der zweidimensionale Fotodetektor 500, der in Kombination mit den genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystemen 502 bis 504 verwendet wird, so ausgestaltet sein, daß die fotoelektrische Konversionsoberfläche 501 in engem Kontakt mit den optischen Systemen 502 bis 504 gebracht werden kann. Was das Auslesen von Lichtintensitäten an zweidimensionalen Positionen durch den zweidimensionalen Fotodetektor 500 betrifft, kann eine ebene Welle aus einer vorbestimmten Richtung mit hoher Auflösungsleistung von dem anderen Streulicht getrennt werden, wenn eine Intensität, die an einer Position erfaßt wird, welche dem Mittelpunkt jedes genauen optischen Richtsystems entspricht, allein ausgelesen ist.
Fig. 54 bis 57 zeigen jeweils genaue optische Richtsysteme, welche die in Fig. 46 bis 49 dargestellten genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsysteme 506 bis 509 und einen zweidimensionalen Fotodetektor 500 enthalten, der an der Austrittsseite jedes optischen Systems 506 bis 509 angeordnet ist. Bei diesen genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystemen 506 bis 509 tritt eine einfallende ebene Welle, die eine zweidimensionale Intensitätsverteilung aufweist, in Form einer ebenen Welle aus, welche eine gleiche Intensitätsverteilung aufweist, wobei das Streulicht durch die genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsysteme eliminiert wird, wie vorher angeführt ist. Daher kann selbst dann, wenn die fotoelektrische Konversionsoberfläche 501 des zweidimensionalen Fotodetektors 500 in einer bestimmten Entfernung von der Austrittsendfläche der genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsysteme 506 bis 509 angeordnet ist, eine zweidimensionale Intensitätsverteilung genau gemessen werden.
Übrigens verwenden die in Fig. 50 bis 57 verwendeten genauen optischen Richtsysteme die genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsysteme 502 bis 509. Die Funktion der Blendenöffnungsanordnung PA, der Monomode-Lichtleitfaseranordnung SA oder des Monomode- Lichtleitfasermoduls SH der genauen optischen Mehrstrahlen- Richtsysteme 502 bis 505, d. h. die Funktion der Entnahme nur eines Beugungsmusters nullter Ordnung einer Fraunhoferschen Beugungserscheinung, erzeugt durch eine Objektivlinse oder eine Gradientenlinse, kann jedoch dem zweidimensionalen Fotodetektor 500 zugewiesen werden, der eine Intensitäts-Abbildungs-Leseoperation ausführt und die Blendenöffnungsanordnung PA, die Monomode- Lichtleitfaseranordnung SA oder der Monomode-Lichtleitfasermodul SH können entfallen. Spezifischer dargestellt, kann, wie in Fig. 58 bis 59 dargestellt, ein genaues optisches Richtsystem entweder eine Mikrolinsenplatte PM oder eine Konvexlinsenanordnung, zum Beispiel eine Gradientenlinsenanordnung GA, und einen zweidimensionalen Fotodetektor 500 enthalten, dessen fotoelektrische Konversionsoberfläche 501 in einer Brennpunktebene der Mikrolinsenplatte PM oder der Linsenanordnung GA angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird, wenn eine ebene Welle in ein solches genaues optisches Richtsystem eintritt, eine Fraunhofersche Beugungserscheinung FD, wie sie in Fig. 60(b) dargestellt ist, in der Brennpunktebene jeder Konvexlinseneinheit LU einer Linsenanordnung, wie die in Fig. 60(a) dargestellte, durch die Linsenfunktion erzeugt und, um nur ein Beugungsmuster nullter Ordnung jeder Fraunhoferschen Beugungserscheinung FD auszulesen, werden durch Abtasten die Intensitäten nur an den Positionen ausgelesen, die in Fig. 60(c) durch die Markierung O gekennzeichnet sind. Wenn man den Vorgang so ausführt, erfüllt die Abtastoperation die gleiche Funktion, wie die in Fig. 50 bis 51 dargestellte Blendenöffnungsanordnung PA. Daher kann das genaue optische Richtsystem auch durch lediglich eine Konvexlinsenanordnung und einen zweidimensionalen Fotodetektor, der in einer Brennebene davon angeordnet ist, ohne eine Blendenöffnungsanordnung PA gebildet werden.
Es gibt keine besondere Einschränkung hinsichtlich des Typs des zweidimensionalen Fotodetektors, der in Verbindung mit den genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystemen 502 bis 509 oder der Mikrolinsenplatte PM oder der Gradientenlinsenanordnung GA oder einer anderen Konvexlinsenanordnung verwendet wird. Es kann jeder Typ der vorhandenen zweidimensionalen Fotodetektoren verwendet werden. Beispiele von verwendbaren zweidimensionalen Fotodetektoren sind nachfolgend angeführt.
Zweidimensionale Fotodetektoren, die zweidimensionale Lichtintensitätsverteilungen in elektrische Bildsignale umwandeln, können grob in Festkörper-Bildsensoren und fotoelektrische Konversions-Bildsensoren klassifiziert werden. Beispiele von Festkörper-Bildsensoren sind eine parallel, unabhängige Verarbeitungs-Fotodiodenanordnung, die in Fig. 61 dargestellt ist, ein Bildsensor vom Typ einer ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD- Typ), die in Fig. 62 dargestellt ist und ein Bildsensor vom Typ eines Feldeffekttransistors (MOS), der in Fig. 63 dargestellt ist.
Die parallele, unabhängige Verarbeitungs-Fotodiodenanordnung ist so ausgeführt, daß Fotodioden 510 mit Sperrschichtfotoeffekt in Feldform angeordnet und verdrahtet sind, wie es in Fig. 61 dargestellt ist, so daß von jeder Felddiode eine Ausgangsleistung direkt entnommen werden kann. Da ein Signal unabhängig von jeder Fotodiode gewonnen werden kann, ist es möglich, je nach Bedarf, auf eine spezifische Fotodiode zuzugreifen und eine parallele, unabhängige Verarbeitung der Signale von den Fotodioden auszuführen, zum Beispiel die Verarbeitung des Umwandelns eines Signals, aus dem das Hintergrundlicht entfernt ist (d. h. eines Wechselspannungs-Komponenten-Signals) und eines Signals, in dem das Hintergrundlicht enthalten ist (d. h. eines Gleichspannungs-Komponenten- Signals) von einer Form in die andere.
Der Bildsensor vom CCD-Typ ist so ausgeführt, daß eine p-Typ- Schicht, zum Beispiel eine n-Typ-Silikonscheibe, durch Diffusion oder durch epitaktisches Wachstum darauf ausgebildet ist und dann Elektroden in einer solchen Weise darauf vorgesehen werden, daß die Bildelemente 520, die jeweils drei Elektroden umfassen, in einer Matrix angeordnet sind, wie es in Fig. 62 dargestellt ist. Durch sequentielles und selektives Schalten der Spannung, die an die drei Elektroden angelegt wird, welche jedes Bildelement bilden, wird eine Signalladung (z. B. Löcher), die durch das einfallende Licht erzeugt wird, sequentiell übertragen und dadurch ein Bildsignal entnommen. Durch Kühlen der CCD-Einrichtung ist es möglich, den Dunkelstrom und das konstante Rauschen, die bei normalen Temperaturen erzeugt werden, zu reduzieren.
Der Bildsensor vom MOS-Typ ist so ausgeführt, daß die Bildelemente 530 jeweils zwei Elektroden enthalten, die den X- bzw. Y-Koordinaten entsprechen, in einer Matrix angeordnet sind, wie es in Fig. 63 dargestellt ist, und jedes Bildelement zusammen mit einem Abtast-Schaltkreis, der vom MOS-Typ-Feldeffekttransistor gebildet wird, einen Schaltkreis darstellt. Um von dem Sensor ein Bildsignal zu entnehmen, werden von den X- und Y-Achsen-Abtastsignalgeneratoren, die in Fig. 63 dargestellt sind, Abtastimpulse auf die Bildelemente aufgebracht und die Signalspannungen, die in den Bildelementen in Reaktion auf das einfallende Licht erzeugt werden, werden als ein Signalstrom von den Bildelementen entnommen, deren den X- und Y-Achsen entsprechende Elektroden die Spannung 0 aufweisen.
Beispiele von fotoelektrischen Konversions-Bildsensoren schließen eine MCP-Diodenanordnung (Mikrokanalplatten-Diodenanordnung) mit statischem Brennpunkt, die eine Kombination einer Mikrokanalplatte (MCP) und einer Diodenanordnung darstellt, wie in Fig. 64 dargestellt ist, eine Proximity-MCP-Diodenanordnung, wie die in Fig. 65 dargestellte, ein Bildorthikon, das in Fig. 66 dargestellt ist, ein Vidikon, dargestellt in Fig. 67, ein Photonen- Mikroskopsystem (VIM-System), das aus einer Kombination eines MCP und einem Vidikon besteht, wie in Fig. 68 dargestellt, und ein Foto-Zähl- und Bilderfasssungssystem (PIAS), das aus einer Kombination eines MCP- und eines Halbleiter-Positionserfassungselementes besteht, wie es in Fig. 69 dargestellt ist, ein.
In der MCP-Diodenanordnung mit statischem Brennpunkt, wie sie in Fig. 64 dargestellt ist, bewirkt das einfallende Licht die Emission von Fotoelektronen auf eine fotoelektrische Oberfläche 540 und die Fotoelektronen werden beschleunigt und durch ein Elektronenlinsensystem 541 fokussiert, um in eine MCP 542 einzutreten. Die Elektronen werden in der MCP 542 vervielfacht und auf einen Leuchtschirm 543 einfallend gelenkt, um Licht auszustrahlen. Das von dem Leuchtschirm 543 ausgestrahlte Licht tritt durch die Lichtleitfasern 544 in eine Diodenanordnung 545 ein, um ein Bildsignal auszugeben.
Bei der Proximity-MCP-Diodenanordnung, wie sie in Fig. 65 dargestellt ist, bewirkt das einfallende Licht die Emission von Fotoelektronen auf eine fotoelektrische Oberfläche 550 und die Fotoelektronen treten direkt in eine MCP 551 ein. In der MCP 551 werden die Elektronen vervielfacht und auf einen Leuchtschirm 552 einfallend gelenkt, um Licht auszustrahlen. Das Licht von dem Leuchtschirm 552 tritt durch die Lichtleitfasern 553 in eine Diodenanordnung 554 ein, um ein Bildsignal auszugeben.
In dem Bildorthikon, wie es in Fig. 66 dargestellt ist, werden Fotoelektronen 561 von einer fotoelektrischen Kathode 560 entsprechend dem einfallenden Licht ausgestrahlt und die Fotoelektronen 561 werden beschleunigt, um durch ein Zielraster 562 hindurchzutreten und mit einem Ziel 563 (Glasplatte mit einer Dicke von mehreren um und mit geringem Widerstand) zusammenzustoßen. Im Ergebnis dessen werden Sekundärelektronen von dem Ziel 563 ausgestrahlt und diese Elektronen werden an einem Zielraster eingefangen, so daß ein positives Ladungsbild entsprechend dem einfallenden Licht auf dem Ziel ausgebildet wird. Wenn die Zieloberfläche in diesem Zustand mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird, wird die positive Ladung auf der Zieloberfläche neutralisiert, da ein Verzögerungsfeld nahe der Zieloberfläche ausgebildet ist. Die nach der Neutralisierung verbleibenden Elektronen sind durch die positive Ladung auf dem Ziel dichtemoduliert. Der Elektronenstrahl kommt nahe einem Elektronenstrahlerzeuger 565 über die im wesentlichen gleiche Kreisbahn wie die vorherige an. Der rückkehrende Elektronenstrahl wird durch einen Sekundär-Elektronenvervielfacher 566 verstärkt, der nahe dem Elektronenstrahlerzeuger 565 angeordnet ist, wodurch ein Bildsignal ausgegeben wird.
Bei dem Vidikon weist ein Ziel eine Struktur auf, in der ein transparenter, leitfähiger Film 571 und ein fotoleitfähiger Film 572 mit einem hohen Widerstand auf einer transparenten Frontplatte 570 übereinander angeordnet sind, wie in Fig. 67 dargestellt ist. Wenn dort nach dem Abtasten mit einem Elektronenstrahl 573 einfallendes Licht vorhanden ist, werden Elektronenlochpaare erzeugt. Die Elektronen fließen durch den transparenten, leitfähigen Film 571 zu einer Signalelektrode 574, während sich die Löcher zu der abgetasteten Oberfläche des fotoleitfähigen Films 572 bewegen. Wenn die Oberfläche des fotoleitfähigen Films 572 erneut mit dem Elektronenstrahl abgetastet wird, fließt der Elektronenstrahl in Übereinstimmung mit der Größe des durch die Löcher aufgebauten Oberflächenpotentials in das Ziel und tritt durch die Signalelektrode 574 in Form eines Bildsignals aus.
Das VIM-System umfaßt eine Kombination eines zweidimensionalen Photonen-Zählrohres 580 und eines Vidikons mit geringem Nachleuchten 581, wie es in Fig. 68 dargestellt ist. Licht, welches in das zweidimensionale Photonenzählrohr 581 eintritt, erzeugt auf einer fotoelektrischen Oberfläche 582 Fotoelektronen und die Fotoelektronen treten durch ein Raster 583 und durch eine Elektronenlinse 584 hindurch, um in eine MCP 585 einzutreten (in dem in Fig. 68 dargestelltem Beispiel in eine zweistufige MCP), wo die Fotoelektronen verstärkt werden und dann auf einen Leuchtschirm 586 als eine Austrittsebene zu prallen, um helle Punkte zu bilden, die auf einer fotoelektrischen Oberfläche des Vidikons mit geringem Nachleuchten 581 durch das Linsensystem 587 fokussiert werden, wodurch ein Bildsignal entsprechend dem vom Ausgang des Vidikons 581 einfallenden Lichtes erhalten wird.
Das PIAS-System umfaßt eine Kombination eines zweidimensionalen Photonenzählrohres 590 gleich dem in dem VIM-System verwendeten (wobei jedoch das Photonenzählrohr 590 eine dreistufige MCP aufweist) und eines Silikon-Halbleiter-Erfassungselementes 591, wie es in Fig. 69 dargestellt ist. Die Fotoelektronen von der MCP 592, die vervielfacht und beschleunigt wurden, treten in das Halbleiter-Erfassungselement 591 ein, wo sie durch die Elektronenbombardierungswirkung, die beim Eintreten in den Detektor 591 erzeugt wird, weiter vervielfacht werden und sie treten dann in Form von elektrischem Strom von vier Elektroden 593, die um den Detektor 591 herum angeordnet sind, durch eine Widerstandsschicht des Erfassungselementes 591 aus. Durch Eingabe der vier Ausgaben in eine Positionsberechnungseinheit (nicht dargestellt) wird ein dem einfallenden Licht entsprechendes Positionssignal erhalten.
Obwohl einige typische zweidimensionale Felddetektoren vorher beschrieben wurden, sollte bemerkt werden, daß Fotodektoren, die in Kombination mit dem genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystem verwendet werden können, nicht unbedingt auf Fotodetektoren eingeschränkt sein müssen, die vorher beschrieben worden sind und daß jeder Typ eines Detektors verwendet werden kann, der Licht in einem zwei- oder eindimensionalen Muster erkennen kann. Um ein genaues optisches Mehrstrahlen-Richtsystem der vorliegenden Erfindung auf einen zweidimensionalen Detektor des vorher beschriebenen Typs anzuwenden, wird Licht, das durch das genaue optische Mehrstrahlen-Richtsystem hindurchgetreten ist, anstelle des auf die vorher beschriebenen zweidimensionalen Fotodetektoren einfallenden Lichtes, auf den Detektor einfallend gelenkt. Obwohl die konventionellen zweidimensionalen Fotodetektoren, die in Fig. 61 bis 69 dargestellt sind, eine Lichtleitfaserplatte für die Einfallsebene verwenden, um den Schirm auszuleuchten und zu nivellieren, sollte bemerkt werden, daß natürlich ein genaues optisches Mehrstrahlen-Richtsystem anstelle der Lichtleitfaserplatte verwendet werden kann.
Anwendungsbeispiele eines solchen genauen optischen Richtsystems werden nachfolgend erläutert.
Fig. 70 und 71 sind konzeptionelle Ansichten, die Beispiele für die Anwendung des genauen optischen Richtsystems auf die biologische Laser-Abtast-Tomografie darstellen. In der in Fig. 70 dargestellten Anwendung wird genau gerichtetes Licht von einem Laser 600 über ein genaues optisches Richtelement 601, wie es in Fig. 31 dargestellt ist, in einen lebenden Körper eingeführt, zum Beispiel um das genau gerichtete Licht von der Innenseite des Körpers her aufzubringen (obwohl das Licht im Falle von Fig. 70 vom Mund her eingeführt wird, kann es auch von einem anderen Körperteil her eingeführt werden, zum Beispiel vom Annus her). Das Licht, das durch den lebenden Körper 403 übertragen wird, ohne absorbiert oder gestreut zu werden, wird durch das genaue optische Richtsystem erfaßt, um eine sektionale Abbildung des lebenden Körpers 403 zu erhalten. Die Abbildung wird zum Beispiel auf einem Monitor 603 angezeigt. Im Falle von Fig. 71 wird, im Gegensatz zu der in Fig. 70 dargestellten Anordnung, das genau gerichtete Licht von der Außenseite des lebenden Körpers 403 her aufgebracht und innerhalb des Körpers 403 erfaßt. Spezifischer ausgedrückt, das genau gerichtete Licht von dem Laser 600 wird durch eine Strahldehneinrichtung 604 gedehnt und von außen auf den lebenden Körper 403 aufgebracht. In den lebenden Körper 403 ist ein genaues optisches Richtsystem 605, wie zum Beispiel das in Fig. 45 dargestellte, eingesetzt, wobei das distale Ende des optischen Systems von außerhalb des Körpers 403 gesteuert werden kann. Ein zweidimensionaler Fotodetektor 500 wird mit der Rückseite des genauen optischen Richtsystems 605 in engen Kontakt gebracht, um ein genaues optisches Richtsystem, wie zum Beispiel das in Fig. 53 dargestellte, zu bilden. Auf diese Weise wird eine sektionale Abbildung des lebenden Körpers 403 in Echtzeit erhalten und die Abbildung wird, zum Beispiel auf dem Monitor 603, angezeigt. In diesem Falle ist es auch möglich, anstelle des genauen optischen Richtsystems 605 ein genaues optisches Richtelement, wie zum Beispiel das in Fig. 31 dargestellte, und einen eindimensionalen Fotodetektor anstelle des zweidimensionalen Fotodetektors 500 zu verwenden. Auf diese Weise kann eine optische Computertomografie-Abbildung des lebenden Körpers 403 durch die Verwendung des genauen optischen Richtsystems erhalten werden.
Fig. 72 zeigt die allgemeine Anordnung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer sektionalen Abbildung gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur bezeichnen die Bezugszahlen 201 und 203 Laser, 205 einen Sektor, 207 ein Laserbesstrahlungssystem, 209 ein Untersuchungsobjekt, 211 einen Erfassungsabschnitt, 211a ein genaues optisches Richtsystem, 211b einen Detektor, 211c einen Synchrondetektor, 213 einen Datenverarbeitungsabschnitt, 213a einen Abschnitt für die Berechnung der Absorptionsverteilung, 213b einen Abschnitt für die Berechnung einer dreidimensionalen Verteilung, 215 einen Abschnitt zum Steuern des Tisches für das Untersuchungsobjekt und 217 einen Abschnitt für den Antrieb des Tisches für das Untersuchungsobjekt.
Bezugnehmend auf Fig. 72 wird Laserlicht mit den Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; abwechselnd durch den Sektor 205 auf das Untersuchungsobjekt 209 über das Laserbestrahlungssys5tem 207 aufgebracht. Das von dem Untersuchungsobjekt 209 übertragene Licht wird über das genaue optische Richtsystem 211a, wie das vorher beschriebene, durch den Detektor 211b erfaßt. Das erfaßte Signal wird in Reaktion auf ein Antriebssignal für den Sektor 205 synchron erfaßt und es wird eine Absorptionsverteilung in dem Datenverarbeitungsabschnitt 213 gemessen. Gleichzeitig wird das Untersuchungsobjekt 209 mit Hilfe des Abschnittes für die Steuerung des Tisches für das Untersuchungsobjekt 215 und des Abschnittes für den Antriebs des Tisches für das Untersuchungsobjekt durch den Datenverarbeitungsabschnitt 213 gedreht oder fortbewegt und dadurch das übertragene Licht erfaßt, das in jedem Bereich des Untersuchungsobjektes 209 einer Absorption ausgesetzt war und eine dreidimensionale Abbildung der Absorptionsverteilung in dem Datenverarbeitungsabschnitt und somit eine sektionale, optische Abbildung erhalten. Es sollte bemerkt werden, daß das übertragene Licht von dem Untersuchungsobjekt im allgemeinen Streu- und Absorptionskomponenten enthält, die untereinander gemischt sind. Wenn das Streulicht von dem Untersuchungsobjekt sich in dem genauen optischen Richtsystem ausreichend abschwächt, ist Laserlicht einer Wellenlänge ausreichend. In einem solchen Falle funktioniert der Sektor 205 als ein Zerhacker, der das Laserlicht unterbricht.
Fig. 73 stellt beispielhaft die Absorptionskennwerte von Oxymyoglobin und Deoxymyoglobin in bezug auf die Wellenlänge dar. Wie aus der Figur ersichtlich ist, zeigt die Streukomponente eine geringe Wellenlängenabhängigkeit und weist einen Wellenlängenbereich auf, in dem sie einen konstanten Wert annimmt. Daher werden zwei Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2;, bei denen die Streukomponente im wesentlichen konstant ist, verwendet und die Absorptionsgrade werden bei diesen Wellenlängen subtrahiert, wodurch die Beseitigung der Streukomponente ermöglicht wird. Somit wird, wenn das Streulicht in dem genauen Lichtaufnahmesystem der vorliegenden Erfindung nicht ausreichend gedämpft werden kann, das Zwei- Wellenlängen-Verfahren in Kombination damit verwendet und dadurch ermöglicht, daß die Streukomponente sogar noch wirksamer beseitigt wird. Weiterhin ermöglicht das zwei-Wellenlängen- Verfahren die Veränderung des Absorptionsgrades über die Zeit bei einer bestimmten aufzuzeichnenden Wellenlänge durch Vergleich mit dem Absorptionsgrad bei einer anderen Wellenlänge. Das Zwei- Wellenlängen-Verfahren hat auch den Vorteil, daß die Veränderung des Absorptionsgrades über die Zeit durch Auswahl einer Wellenlänge, bei der ein spezielles Zielobjekt keine Veränderung des Absorptionsgrades über die Zeit zeigt und einer Wellenlänge, bei der das Objekt Veränderungen des Absorptionsgrades über die Zeit zeigt, genauer erfaßt werden kann, als im Falle des Ein-Wellenlängen-Verfahrens.
Im allgemeinen wird die Spektrometrie für biologische Gewebe notwendigerweise an inhomogenen Systemen durchgeführt, welche Streupartikel enthalten. In einem solchen Falle ist das Beer- Lambert'sche Gesetz, das für transparente Untersuchungsobjekte gilt, nicht immer gültig. Meßverfahren, die wirksam für trübe Untersuchungsobjekte verwendet werden, schließen das Zweiwellenlängen-Verfahren und das Differenzspektrums-Verfahren ein. Betrachtet man ein Untersuchungsobjekt, das eine geringe Konzentration aufweist, so daß das Beer-Lambert'sche Gesetzt gilt, und nimmt man an, daß die Menge des Beleuchtungslichtes I&sub0; ist und die Menge des übertragenen Lichtes I, wie in Fig. 74a dargestellt ist, so gelten die folgenden Beziehungen:
logI=/I = Σcd
Darin ist Σ der Extinktionskoeffizient, c die Konzentration und d die optische Weglänge.
In bezug auf die beiden Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; gelten die folgenden Beziehungen gleichermaßen:
logI&sub0;(λ&sub1;) /I (λ&sub1;) = Σ(λ&sub1;) cd
logI&sub0;(λ&sub2;)/I (λ&sub2;) = Σ(λ&sub2;) cd
Somit ist
logI(λ&sub2;)/I(λ&sub1;) - logI&sub0; (λ&sub2;) /I&sub0;(λ&sub1;) = Σ(λ&sub1;) - Σ(λ&sub2;) cd
Mit anderen Worten, die Differenz des Absorptionsgrades zwischen den beiden Wellenlängen ist der Konzentration proportional. Wenn Licht auf ein Suspensionsuntersuchungsobjekt einfallend gelenkt wird, wie es in Fig. 74 (b) dargestellt ist, werden die Streu- und Reflexionskomponenten Is zusätzlich zu dem übertragenen Licht erzeugt. Somit gilt die folgende Beziehung:
logI&sub0;/I = Σcd + Is
Darin stellt Is die Streudämpfung dar.
Somit gelten gleichermaßen die folgenden Beziehungen:
logI(λ&sub2;) /I(λ&sub1;) = Σ(λ&sub1;) - Σ(λ&sub2;)cd - logI&sub0;(λ&sub2;)/I&sub0;(λ&sub1;) + (Is(λ&sub1;) - Is(λ&sub2;))
Somit kann, wenn (Isλ&sub1;) gleich (Isλ&sub2;) ist, die Konzentration der Probe durch Erhalten einer Absorptionsgraddifferenz gemessen werden, wobei der Effekt eintritt, daß das Streuen eliminiert wird. Wenn λ&sub1; und λ&sub2; sich nur wenig voneinander unterscheidend ausgelegt werden, ist es möglich anzunehmen, daß der Streueffekt und ähnliches bei jeder der beiden Wellenlängen im wesentlichen gleich ist, und es ist daher möglich, die Konzentration des Untersuchungsobjektes auf der Basis der Absorptionsgraddifferenz zu erhalten. Somit kann, wenn das genaue optische Richtelement der vorliegenden Erfindung und das zwei-Wellen-Verfahren gemeinsam verwendet werden, die Trennung des Streulichtes noch effektiver bewirkt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, Veränderungen des Zielobjektes über die Zeit zu beobachten, indem man die beiden Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; wählt, daß bei einer Wellenlänge das Objekt Veränderungen des Absorptionsgrades über die Zeit zeigt, und daß es bei der anderen Wellenlänge keine Absorptionsgradveränderung über die Zeit zeigt.
Fig. 75 ist ein Blockdiagramm, das die automatische Verstärkungsregelung für das Zwei-Wellenlängen-Erfassungsverfahren darstellt. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 205 einen Sektor, 220 einen Motor, 222 einen Synchronisationssignalerzeuger, 224 ein Erfassungssystem, 226 einen Verstärker, 228 einen Synchrondetektor, 230 einen Rückkopplungsschaltkreis, 232 einen Verstärker und 234 einen Signalprozessor.
Bezugnehmend auf Fig. 75 wird beim Drehen des Sektors 205 durch den Motor 220 ein Bezugssignal R und ein erfaßtes Signal S abwechselnd durch das Erfassungssystem 224 entnommen und in den Verstärker 226 eingegeben. Zwischenzeitlich erzeugt der Synchronisationssignalerzeuger 222 ein mit der Drehung des Motors 220 synchronisiertes Signal. Mit diesem Synchronisationssignal wird der Ausgang des Verstärkers 226 synchron erfaßt, um dadurch das erfaßte Signal 5 und das Bezugssignal R voneinander zu trennen. Das getrennte Bezugssignal R wird über den Rückkopplungsschaltkreis 230 negativ zu dem Eingang des Verstärkers 226 rückgekoppelt, um die Verstärkung zu regeln.
In dem Zustand, in dem die Verstärkungsregelung so erfolgt, daß das Bezugssignal R konstant ist, wird das Signal 5 entnommen und in dem Signalprozessor 234 verarbeitet, wodurch Informationen über die Absorption der Untersuchungsobjekte erhalten werden.
Fig. 76 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung des in Fig. 75 dargestellten automatischen Verstärkungsregelungssystems auf ein Multielement-Erfassungssystem zeigt.
Das in Fig. 75 dargestellte automatische Verstärkungsregelungssystem ist vorgesehen, um mit jedem Detektorelement eines Multielementdetektors 224M zu korrespondieren und die Ausgänge des Regelungssystems werden durch einen Analogschalter 238 entnommen, wodurch die Verstärkungsregelung des Signals korrespondierend mit jedem Detektorelement ermöglicht wird.
Fig. 77 ist ein Blockdiagramm, das ein Absorptionsdifferenz- Erfassungssystem darstellt, das nach dem Verfahren Probe auswählen und halten funktioniert. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 240 ein Erfassungssystem, 242 einen Verstärker, 244 einen Synchronisationssignalerzeuger, 246 einen Synchrondetektor, 248a und 248b Probenauswahl- und Probenhalte-Schaltkreise, 250a und 250b logarithmische Verstärker, 252 einen Synthetisator und 254 einen Analog/Digital-Wandler.
Ein durch das Erfassungssystem 240 erfaßtes Signal wird verstärkt und darauf in dem Synchrondetektor 246 in zwei Wellenlängen, zum Beispiel λ&sub1; und λ&sub2; getrennt, die jeweils nach dem Prinzip Probe auswählen und Probe halten verarbeitet, dann logarithmisch verstärkt und darauf in der Subtrahiereinrichtung 252 subtrahiert werden, wodurch ein logarithmischer Wert eines Ausgangsverhältnisses in bezug auf die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; erhalten wird. Der logarithmische Wert, der die Absorptionsgraddifferenz darstellt, d. h. die Konzentration des Untersuchungsobjektes, wie vorher angeführt wurde, wird in dem Analog/Digital-Wandler 254 in eine digitale Menge umgewandelt, die dann einer Datenverarbeitung in einem Computer o. ä. unterzogen wird.
Fig. 78 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem das in Fig. 77 dargestellte Verfahren Probe auswählen und Probe halten auf ein Multielement-Erfassungssystem angewendet wird, um eine Absorptionsgraddifferenz auf der Basis eines Signals von jedem einer Anzahl von Detektoren zu erfassen.
In der in Fig. 78 dargestellten Anordnung ist ein Paar von logarithmischen Verstärkern und eine Subtrahiereinrichtung vorgesehen, um mit jedem der vier Detektoren zu korrespondieren, die unter Verwendung der Schalter 256a und 256b so geschaltet werden, daß eine Aufteilung auf die beiden logarithmischen Verstärker vorgenommen wird, und ein Ausgang, der von jeder Subtrahiereinrichtung erhalten wird, wird über einen Analogschalter 258 entnommen und einem Analog/Digital-Wandler 254 zugeführt, um einen digitalen Ausgang zu erhalten.
Fig. 79 und 80 sind Ansichten zur Erläuterung eines elektrischen Systems für das direkte Erfassen eines Verhältnisses durch das Erfassen von Frequenzkomponenten. In den Figuren bezeichnet die Bezugszahl 260 einen Detektor, 262 einen Vorverstärker, 264 eine Signalkomponententrenneinrichtung, 266 und 268 Filter, 270 und 272 Synchrongleichrichter, 274 einen Synchronisierungssignalerzeuger, 276 eine Addiereinrichtung, 278 einen Schaltkreis zur Berechnung des Verhältnisses, 280 eine Aufzeichnungseinrichtung, 282 eine arithmetische Schaltung und 284 einen Sektor.
In diesem System ist der Sektor 284 in vier Bereiche aufgeteilt, wie in Fig. 80(a) dargestellt, d. h. in einen Bereich P&sub1;, der ein dunkler Bereich ist, welcher kein Signal durchläßt, die Bereiche P&sub2; und P&sub4;, die ein Signal der Wellenlänge λ&sub1; durchlassen und einen Bereich P&sub3;, der ein Signal der Wellenlänge λ&sub2; durchläßt. Durch Drehen des Sektors 284 wird ein Signal mit der Folge D, λ&sub1;, λ&sub2;, D...... entnommen, wie in Fig. 80(b) dargestellt ist.
Dieses Signal kann durch Sperren der Gleichstromkomponente als ein Wechselstromsignal erfaßt werden, in dem die Frequenz des Signals von λ&sub1; als f und die Frequenz des Signals von λ&sub2; als 2f definiert ist. Genauer gesagt, ein Signal, wie das in Fig. 8(c) dargestellte, wird durch den in Fig. 79 dargestellten Detektor 260 erfaßt, in dem Vorverstärker 262 verstärkt und dann in den Filtern 266 und 268 gefiltert, welche die Frequenzen f bzw. 2f durchlassen, wodurch die Signale von λ&sub1; und λ&sub2; extrahiert werden. Diese Signale werden synchron in den Synchrongleichrichtern 270 und 272 erfaßt, wodurch die Signale, die den Wellenlängen λ&sub1; und entsprechen, extrahiert werden.
Übrigens ist das Signal der Wellenlänge λ&sub2;, d. h. die Frequenz 2f, überlagert durch das Signal der Frequenz f, d. h. λ&sub1;. Daher wird die Komponente der Wellenlänge λ&sub1; durch Subtraktion in der Addierein-richtung 276 entfernt und es wird dadurch ermöglicht, daß die Signale I(λ&sub1;) und I(λ&sub2;) getrennt entnommen werden können. Darauf wird das Verhältnis dieser Signale in der Schaltung für die Berechnung des Verhältnisses 278 berechnet, wodurch ein Signal entnommen wird, das der Absorptionsgraddifferenz entspricht und welches dann durch die Aufzeichnungseinrichtung 280 aufgezeichnet wird.
Somit sind die Signale der beiden Wellenlängen als Signale der Frequenzen f und 2f ausgestaltet und diese Frequenzkomponenten werden erfaßt. Wenn man auf diese Weise verfährt, kann eine Absorptionsgraddifferenz als ein Signal erfaßt werden, welches rauschunabhängig ist.
Fig. 81 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem das in Fig. 79 dargestellte Erfassungssystem auf ein Multielement- Erfassungssystem angewendet wird. In dem dargestellten Beispiel ist eine Anzahl von Vorverstärkern, Signalkomponententrenneinrichtungen und arithmetischen Schaltungen, die der Anzahl der Detektorelemente entspricht, welche einen Multielement-Detektor 260M bilden, jeweils mit den Detektorelementen verbunden, und sie werden sequentiell durch eine Multiplexer-Einrichtung 284 geschaltet, um Signale zu entnehmen.
Die vorher angeführten Beispiele kommen in den Fällen zur Anwendung, in denen die erfaßte Lichtintensität relativ hoch ist und ein kontinuierlicher Ausgang erreicht werden kann. Die nachfol genden Ausführungen sind eine Beschreibung eines Verfahrens zum Messen von extrem schwachem Licht.
Fig. 82 und 83 sind Ansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zum Messen von extrem schwachen Licht. In Fig. 82 bezeichnet die Bezugszahl 290 eine Laserlichtquelle, 292 einen Zerhacker, 294 einen Fotovervielfacher (PM), 296 einen Impulsverstärker, 298 einen Impulshöhendiskriminator, 300 ein Gate, 302 eine Phasenverschiebungseinrichtung, 304 einen Gate-Ausgangsgenerator, 306 einen Addier-Subtrahierzähler und 308 eine Aufzeichnungseinrichtung.
Wenn Licht durch einen PM erfaßt wird, ist, wenn die Intensität des zu erfassenden Lichtes hoch ist, der Ausgang des PM kontinuierlich und die Intensität des einfallenden Lichtes kann von der Gleichstromkomponente des Ausgangs erfaßt werden. Wenn jedoch die Intensität des einfallenden Lichtes äußerst schwach ist, ist der Ausgang des PM diskret, wodurch sich ein diskontinuierlicher Impulsausgang ergibt. In einem solchen Falle kann das äußerst schwache einfallende Licht, wie zum Beispiel Licht, das aus einer Reihe von Photonen besteht, durch Zählen dieser Ausgangsimpulse gemessen werden. Wenn jedoch solches äußerst schwaches Licht gemessen werden soll, wird unvermeidlich der Hintergrund erfaßt, weil der PM selbst Rauschimpulse ausstrahlt und es daher erforderlich ist, den Hintergrund zu entfernen. Aus diesem Grunde wird in der in Fig. 82 dargestellten Einrichtung das Signallicht und der Hintergrund durch einen Zerhacker von einem zum anderen umgeschaltet und die während der jeweiligen Zeiträume erfaßten Ausgänge werden durch einen Addier-Subtrahier-Zähler subtrahiert, um den Hintergrund zu entfernen und dadurch das äußerst schwache einfallende Licht zu messen.
Bezugnehmend auf Fig. 82 wird äußerst schwaches einfallendes Licht über den Zerhacker 292 durch den PM 294 erfaßt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Addier-Subtrahier-Zähler 306 durch die Phasenverschiebungseinrichtung 302 und den Gate-Signalerzeuger 304 getrieben, wobei die Schaltfrequenz f&sub0; des Zerhackers 292 als Bezugsfrequenz verwendet wird. Der Ausgang des PM 294 wird in dem Verstärker 296 verstärkt und darauf dem Impulshöhendiskriminator 298 zugeführt, wodurch dem Addier-Subtrahier-Zähler 306 über das Gate 300 ein Signal zugeführt wird, das eine vorbestimmte Größe, d. h. einen Impulsausgang, überschreitet. In dem Zähler 306 wird das Signal durch den Zerhacker 292 zerhackt und die Hintergrunderfassungsausgabe wird addiert und subtrahiert.
Es wird angenommen, daß, wenn der Zerhacker 292 offen ist, ein Ausgang der Gesamtsumme des Signals S und des Rauschens N erhalten wird, während bei geschlossenem Zerhacker 292 das Hintergrundrauschen erhalten wird, wie in Fig. 83(a) dargestellt ist. Synchron mit dem Zerhacker 292 steuert das Gate 300 den Addier-Subtrahierzähler 306 in einer solchen Weise, daß bei offenem Zerhacker 292 eine Addition ausgeführt wird, während bei geschlossenem Zerhacker 292 eine Subtraktion erfolgt, wie in Fig. 83(b) und (83c) dargestellt ist. Da das Rauschen über den gesamten Zeitraum konstant auftritt, wird somit das Rauschen von dem Ausgang des Addier-Subtrahier-Zählers 306 entfernt und es kann nur das Signal S erfaßt werden.
Fig. 84 bis 87 zeigen eine Ausführung eines Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Figuren bezeichnet die Bezugszahl 311 ein lichtaufnehmendes Element, 312 einen Rückstell-Feldeffekttransistor, 313 einen Lese-Feldeffekttransistor, 314 einen Widerstand, 315 einen Differentialverstärker, 316 eine Zener- Diode, 317 ein Widerstandselement, 318 einen Betriebsverstärker und 319 einen Tiefpaßfilter.
Das lichtaufnehmende Element 311 ist ein Halbleiter-Erfassungselement, das zum Beispiel aus Si, Ge, In, GaAs, InGaAsP, usw. hergestellt ist und eine hohe innere Impedanz und einen äußerst geringen Dunkelstrom aufweist. Die Feldeffekttransistoren 313 und 314 werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt und das lichtaufnehmende Element 311 wird ebenfalls mit flüssigem Stickstoff oder mit flüssigem Helium gekühlt, um eine Rauschverringerung zu erzielen.
Bezugnehmend auf Fig. 84 enthält das lichtaufnehmende Element 311 eine Fotodiode mit einer hohen inneren Impedanz und einen äußerst geringen Dunkelstrom und hat eine daran angelegte Sperrvorspannung, um sich normalerweise im Zustand "Aus" zu befinden. Der Kathodenanschluß des lichtaufnehmenden Elementes 311 ist mit dem Drain des Rückstell-Feldeffekttransistors 312 und mit dem Gate des Lese-Feldeffekttransistors verbunden.
Wie in Fig. 85(a) dargestellt, werden abwechselnd +1 V und -3 V an das Gate des Feldeffekttransistors 312 angelegt, so daß, wenn +1 V daran angelegt ist, der Feldeffekttransistor 312 abschaltet, während er, wenn -3 V daran angelegt sind, einschaltet. Eine virtuelle Kapazität C ist zwischen dem Gate und dem Drain des Feldeffekttransistors 312 vorhanden, so daß, wenn ein "Ein"- Impuls (-3 V) eingegeben wird, wie in Fig. 85(b) dargestellt ist, eine positive Ladung in der Kapazität C aufgebaut wird, die bewirkt, daß Drain und Quelle zueinander leiten. Im Ergebnis dessen fließt die in der Streukapazität des lichtaufnehmenden Elementes 311 gespeicherte Ladung zu Erde.
Wenn ein "Aus"-Impuls (+1 V) eingegeben wird, wie in Fig. 85(c) dargestellt ist, wird eine positive Spannung an die Kapazität C angelegt, und die darin gespeicherte Ladung wird daher entladen. Im Ergebnis dessen wird die Leitung zwischen Drain und Quelle aufgehoben und der Feldeffekttransistor 312 schaltet ab. In dem Detektor der vorliegenden Erfindung ist kein Leitungswiderstand mit dem lichtaufnehmenden Element 311 verbunden. Daher wird das Johnson-Rauschen nur durch den inneren Widerstand des Detektors bestimmt. Weiterhin kann, da die Ladung aufgebaut wird, wenn nicht ein Rückstellimpuls angelegt wird, die Zeit für den Ladungsaufbau verlängert werden und es ist daher möglich, eine Erfassung mit hohem Empfindlichkeitsgrad durchzuführen.
Bezugnehmend auf Fig. 84 verändert sich, wenn der Feldeffekttransistor 313 als Quellen-Folger betrieben wird, um ein Signal zu lesen, der Ausgang VOUT, wie in Fig. 86(a) dargestellt ist. Bei der ersten und letzten Zeitsteuerung des "EIN"-Zeitraumes erfolgt eine Probenauswahl in Reaktion auf die Probenauswahlimpulse (Fig. 86(b)), um die Ausgänge V&sub1; und V&sub2; (Fig. 86(c)) zu erfassen, und die aufgenommene Lichtmenge wird auf der Basis der Differenz zwischen V&sub1; und V&sub2; erhalten.
Fig. 87 ist ein Diagramm, das beispielhaft eine aktuelle Schaltung des in Fig. 84 dargestellten Detektors der vorliegenden Erfindung zeigt. Durch den Quellen-Folger 313 wird ein Signal gelesen, das mit einer konstanten Spannung von der Zener-Diode 316 einem Eingangsanschluß und mit der in dem lichtaufnehmenden Element 311 aufgebauten Spannung einem anderen Eingangsanschluß zugeführt, in dem Differentialverstärker 315 und dem Betriebsverstärker 318 verstärkt wird, um ein Signal eines vorbestimmten Bandes in dem Tiefpaßfilter 319 zu erfassen.
Fig. 88 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführung einer Erfassungseinrichtung darstellt, welche den in Fig. 84 dargestellten Detektor verwendet und Fig. 89 ist ein Wellenform- Diagramm davon.
Bezugnehmend auf diese Figuren wird ein äußerst schwaches einfallendes Licht von einer Lichtquelle 321 durch einen Detektor der vorliegenden Erfindung mittels eines Zerhackers 322 erfaßt. In dieser Zeit gibt eine Steuerschaltung 326 ein Rückstellsignal aus, um den Detektor 323 in den synchronen Zustand zu einem Schaltsignal für den Zerhacker 322 zurückzustellen. Gleichzeitig wird ein Addier-Subtrahier-Zähler 325 in Reaktion auf ein Gate- Steuersignal, welches der Ausgang von der Steuerschaltung 326 in synchronem Zustand mit dem Schaltsignal für den Zerhacker 322 ist, so gesteuert, daß bei eingeschalteter Lichtquelle 321 das erfaßte und das analogdigital-gewandelte Signal und der Dunkelstrom addiert werden, während bei ausgeschalteter Lichtquelle 321 der Dunkelstrom von der Summe subtrahiert wird und das Ergebnis zu einer Digitaldrucker-/Analog-Aufzeichnungseinrichtung 327 ausgegeben wird.
Es wird angenommen, daß bei offenem Zerhacker 322 ein Ausgang erhalten wird, welcher der Gesamtsumme des Signals S und des Rauschens N entspricht, während bei geschlossenem Zerhacker 322 das Hintergrundrauschen N erhalten wird, wie es in Fig. 89(a) dargestellt ist. Das Signal S + N und das Signal N ist jeweils über den Wirkungszeitraum des in Fig. 89(b) dargestellten Rückstellsignals integriert und der Addier-Subtrahierzähler 325 wird so gesteuert, daß bei offenem Zerhacker 322 die Signale S und N in Reaktion auf ein Addiergatesignal, wie in Fig. 89 (c) dargestellt, addiert werden, während bei geschlossenem Zerhacker 322 das Signal N in Reaktion auf ein Subtrahiergatesignal von der Summe S + N subtrahiert wird, wie es in Fig. 89(d) dargestellt ist. Im Ergebnis dessen wird, da das Rauschen konstant über den gesamten Zeitraum auftritt, das Rauschen beseitigt und an dem Ausgang des Addier-Subtrahier-Zählers 325 kann nur das Signal 325 erfaßt werden.
Fig. 90 und 91 zeigen ein Beispiel, in dem das in Fig. 88 dargestellte Erfassungsverfahren auf die Zwei-Wellenlängen-Erfassungsmethode angewendet wird. In Fig. 90 bezeichnen die gleichen Bezugszahlen, wie die in Fig. 88, die gleichen Inhalte und die Zähler 325a und 325b stellen Addier-Subtrahier-Schaltungen für die Wellenlängen λ&sub1; bzw. λ&sub2; dar.
Ein Rückstellsignal, das in Fig. 91(a) dargestellt ist, und Gatesignale, die in Fig. 91(b), 91(c) und 91(d) dargestellt sind und die ein Gate-Intervall aufweisen, welches durch die Rückstellperiode definiert ist, werden von der Steuerschaltung 326 synchron mit dem Zerhackersignal ausgegeben, um den Detektor 323 periodisch zurückzustellen und die Addier-Subtrahier-Zähler 325a und 325b zu steuern. Während der Gate-Signalperiode, die in Fig. 91(b) dargestellt ist, werden die Signale der Wellenlänge λ&sub1; in dem Addier-Subtrahierzähler 325a addiert. Während der Gate- Signalperiode, die in Fig. 91(c) dargestellt ist, werden die Signale der Wellenlänge λ&sub2; in dem Addier-Subtrahier-Zähler 325b addiert und während der Gate-Signalperiode, die in Fig. 91(d) dargestellt ist, wird das Hintergrundsignal von der Summe in jedem der Addier-Subtrahier-Zähler 325a und 325b subtrahiert. Im Ergebnis dessen werden die Signalausgänge für die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; von den Addier-Subtrahier-Zählern 325a bzw. 325b erhalten und es wird ein Verhältnis dieser Signale in dem arithmetischen Prozessor 330 berechnet, wodurch eine Absorptionsgraddifferenz erfaßt wird.
Fig. 92 zeigt ein Beispiel, in dem das in Fig. 88 dargestellte Verfahren auf ein Multielement-Erfassungssystem angewendet wird. Bei dieser Anordnung werden die Ausgänge der Addier-Subtrahier- Zähler 325-1 bis 325-n in den jeweiligen Speichern 328-1 bis 328- n gespeichert und diese Ausgänge werden sequentiell in den arithmetischen Prozessor 330 abgerufen, um ein Verhältnis von zwei Wellenlängen zu berechnen, wodurch die Messung einer Differenz zwischen den durch die Detektoren erhaltenen Absorptionsgraden ermöglicht wird.
Fig. 93 ist eine grafische Darstellung, die nahezu infrarote Absorptionsspektren der Oberarme zeigt, wobei I das nahezu infrarote Absorptionsspektrum des Oberarms eines Mannes mit wenig Fett und II das eines Oberarmes einer Frau mit viel Fett darstellt; III zeigt das Absorptionsspektrum nur des Fettes und IV stellt das Absorptionsspektrum von Wasser dar.
In dem Spektrum des Oberarmes der Frau mit viel Fett ist klar eine Absorptionsspitze bei 970 nm wegen des Wassers und eine Absorptionsspitze bei 930 nm wegen des Fettes zu erkennen. Andererseits ist in dem Spektrum des Oberarmes des Mannes mit wenig Fett die Absorption bei 930 nm nur als kleine Schulter zu erkennen. Aus einer solchen Differenz der Spektren kann der relative Fettgehalt berechnet werden und der so erhaltene Wert zeigt eine gute Korrelation mit einem Wert, der durch eine aktuelle Analyse erhalten wird.
Übrigens ist die Zufuhr von Sauerstoff der wichtigste Faktor für einen lebenden Körper, um normal zu funktionieren. So ist zum Beispiel ein myokardialer Infarkt, eine Gehirnthrombose oder ähnliches, die Nekrose einiger oder aller Zellen in einem Gewebe, verursacht durch eine Störung der Sauerstoffzufuhr zu dem Gewebe als Ergebnis der Unterbrechung der Blutzufuhr zu dem Gewebe, weil ein Blutgefäß teilweise verstopft ist. Bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in einem biologischen Gewebe, wurde historisch gesehen erstmals die Biometrie angewendet und bis heute sind damit Ergebnisse mit dem größten Erfolg erzielt worden. Kurz gesagt, die optische Biometrie ist nichts anderes als das biologische Abtasten der Absorptionsgrade und der Fluoreszenzintensitäten von vier Chromoproteinen (Chromophoren), d. h. Zytochromoxydase, Myoglobin (Mb), Hämoglobin (Hb) und Pyridinnukleotid (NADH).
Die Absorptionsgrade und die Fluoreszenzintensitäten von vier Chromoproteinen, d. h. Zytochromoxydase, Myoglobin (Mb), Hämoglobin (Hb) und Pyridinnukleotid (NADH) werden nachfolgend grob erläutert.
Fig. 94(a) stellt ein sichtbares und nahezu infrarotes Absorptionsspektrum einer Oxyhämoglobinlösung dar.
Die bekannteste "spektroskopische Sauerstoffkonzentrations- Indikatorsubstanz" ist das Blut. Das arterielle Blut (das genügend Sauerstoff enthält) sieht hellrot aus, während das venöse Blut, das wenig Sauerstoff enthält, dunkelrot aussieht. Das widerspiegelt die Tatsache, daß hier eine Farbdifferenz zwischen dem Hb, das in den roten Blutzellen enthalten ist, wenn es mit Sauerstoff kombiniert wird, und dem Hb, wenn es nicht mit Sauerstoff kombiniert ist, vorhanden ist. Das Spektrum einer Oxyhämoglobinlösung sieht so aus, wie das in Fig. 94(a) dargestellte. Wenn dieses Spektrum durch die Verwendung des genauen optischen Richtsystems gemäß der vorliegenden Erfindung erfaßt und die Farbveränderung (Absorptionsveränderung) optisch abgetastet wird, kann die Sauerstoffkonzentration in dem Blut erkannt werden.
Fig. 94(b) zeigt ein Absorptionsspektrum von Myoglobin im sichtbaren Bereich.
Myoglobin ist hauptsächlich in großen Mengen in den Muskelgeweben der Brüste vorhanden und weist Eisenporphyrin in der gleichen Weise auf, wie das Hämoglobin im Blut. Der Grund dafür, daß frisches Schweine- und Rindfleisch hellrot aussieht, liegt an der Farbe dieses Proteins. Da dieses Protein in einer Menge enthalten ist, die etwa das 5 bis 10fache der des vorher beschriebenen Zytochrom beträgt, wenn der Muskel mit Licht beleuchtet wird, absorbiert Myoglobin Licht in dem größeren Teil des sichtbaren Bereiches.
Wenn der Muskel beginnt sich zusammenzuziehen, geht das Myoglobin von einem Zustand (Oxymyoglobin), in dem es mit Sauerstoff kombiniert ist, in einen Zustand (Deoxymyoglobin) über, in dem es nicht mit Sauerstoff kombiniert ist. In diesem Falle ist der Desoxydationsgrad umso höher, je länger die Zeit ist, in der der Muskel sich zusammenzieht. In dieser Zeit strömt das Blut normal durch den Muskel. Wenn der Muskel zusammengezogen ist, wobei der Blutstrom gestoppt ist (d. h. mit abgebundener Arterie), erhöht sich die Desoxydationsgeschwindigkeit des Myoglobins. Selbst wenn das Zusammenziehen des Muskels aufgehört hat, wird das desoxydierte Myoglobin nicht in den vorherigen Zustand zurückgeführt, weil keine Sauerstoffzufuhr von dem Blut vorhanden ist. Das erklärt, daß sich, wenn wir plötzlich Kraft aufwenden müssen oder körperliche Bewegung ausüben, der Sauerstoffverbrauch in dem Muskel erhöht, so daß die Sauerstoffzufuhr von dem Blut knapp wird, wodurch Sauerstoffknappheit in den Zellen entsteht. Wenn eine ähnliche Messung tatsächlich bezüglich des menschlichen Armes durchgeführt wird, hat sich ergeben, daß das Verhalten des Muskels bei einer Anstrengung in hohem Maße in Abhängigkeit von dem Alter und ob Training durchgeführt wurde oder nicht, differiert. Somit kann das detaillierte Verhalten des Muskels durch das Messen der Lichtabsorption mit dem genauen optischen Richtsystem der vorliegenden Erfindung erkannt werden.
Fig. 95 zeigt die Absorptionsspektren und die Absorptionsgraddifferenzen des Hb und Mb in einem Bereich (nahe dem infraroten Bereich) von 700 bis 1200 nm. In Fig. 95(a) stellen die durchgehenden Linien Oxyhämoglobin und Oxymyoglobin dar, während die gestrichelten Linien Deoxyhemoglobin und Deoxymyoglobin darstellen.
Es gibt im wesentlichen keine Absorptionsgraddifferenz zwischen dem Hb und Mb. Mit Sauerstoff angereichertes Hb hat eine Absorptionsspitze bei 930 nm. Diese Absorptionsintensität ist geringer als 1/40 der Absorption bei 578 nm im sichtbaren Bereich. Desoxydiertes Hb hat Absorptionsspitzen bei 760 nm und 905 nm. Der isosbestische Punkt liegt bei der Sauerstoffanreicherung und bei der Desoxydation bei 805 nm und da die Absorptionsintensität bei dieser Wellenlänge von der Sauerstoffsättigung unabhängig ist, kann sie verwendet werden, um die Gesamt- Hämoglobinmenge zu messen. Somit kann durch Erhalten dieser Absorptionsspektren unter Verwendung des genauen optischen Richtsystems der vorliegenden Erfindung die Gesamt-Hämoglobinmenge oder ähnliches genau erhalten werden.
Fig. 96 zeigt das Absorptionsgradspektrum von gereinigter Zytochomoxidase. In der Figur stellt die durchgehende Linie das sauerstoff-angereicherte Zytochrom dar, während die gestrichelte Linie das sauerstoffreduzierte Zytochrom darstellt.
Die Veränderung der Lichtabsorption des Zytochroms zeigt an, ob zu einer bestimmten Zeit ausreichend Sauerstoff in den Zellen vorhanden ist oder ob die Sauerstoffzufuhr knapp ist. Zytochrom ist in allen biologischen Geweben, einschließlich der menschlichen, vorhanden. Tatsächlich sind interzellulare Mikrokörnchen, bekannt als Mitochondria, die Zytochrom enthalten, in allen lebenden Organismen vorhanden. Daher kann, wenn die Veränderung der Absorption des Zytochroms, hauptsächlich im sichtbaren Bereich, optisch durch die Verwendung des genauen optischen Richtsystems der vorliegenden Erfindung gemessen wird, in zerstörungsfreier Weise erkannt werden, ob ausreichend Sauerstoff in einem speziellen Gewebe (besonderen Zellen) vorhanden ist, oder ob die Sauerstoffzufuhr knapp ist und das Spektrum kann leicht aufgezeichnet werden.
Fig. 97 zeigt das Spektrum der relativen Fluoreszenzintensität von Pyridinnukleotid (NADH).
Bei Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen, strahlt unser Körper (Gewebe) relativ starkes Licht (Fluoreszenz) im sichtbaren Bereich aus. Die Fluoreszenzintensität widerspiegelt ebenfalls in empfindlicher Weise die Sauerstoffkonzentration in den Zellen.
Fig. 97 zeigt Spektren der Fluoreszenz, die hervorgerufen wurden, wenn das Herz einer lebenden Maus mit ultravioletten Strahlen, d. h. in diesem Falle mit Licht von 340 nm, beleuchtet wird. Durch die reduzierte, niedermolekulare Pyridinnukleotid-Verbindung, die in biologischen Geweben vorhanden ist, wird eine Fluoreszenz bei 450 bis 480 nm verursacht. Pyridinnukleotid ist ebenfalls in allen Geweben vorhanden. Wenn die Sauerstoffmenge in einem Gewebe knapp wird, erhöht sich die Fluoreszenzintensität. Daher können durch Messen einer Veränderung der Fluoreszenzintensität dieser Substanz durch Verwendung des genauen optischen Richtsystems der vorliegenden Erfindung Variationen in der Sauerstoffkonzentration bestimmt werden.
Fig. 98 zeigt die Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration von den vorher beschriebenen Indikatorsubstanzen, d. h. die Eichkurven.
Wie für Hämoglobin und Myoglobin, wird ein Zustand, in dem diese Substanzen vollständig mit Sauerstoff kombiniert sind, als 100% definiert, während ein Zustand, in dem sie nicht mit Sauerstoff kombiniert sind, mit 0% definiert ist, so daß jede Kurve in % anzeigt, wieviel Hämoglobin oder Myoglobin mit dem Sauerstoff kombiniert ist. Wie für Zytochromoxidase und NADH ist das Verhältnis der Oxydation zur Reduktion entlang den Koordinatenachsen graduiert. Wenn es möglich ist, optisch aus der Eichkurve zu erfassen, wieviel Indikatorsubstanz, zum Beispiel Myoglobin, mit Sauerstoff kombiniert ist, ist es möglich, den Absolutwert der Sauerstoffkonzentration in dem Gewebe zu diesem Zeitpunkt zu erkennen. Gleichermaßen ist es möglich, wenn eine Veränderung der Menge des durch das Hämoglobin absorbierten Lichtes durch Aufbringen von Licht auf den menschlichen Kopf von außen erfaßt wird, die Sauerstoffkonzentration in dem Gehirngewebe zu erkennen, ohne eine Öffnung in den Schädel bohren zu müssen.
Unter der Annahme, daß im Anfangszustand Myoglobin zu 100% mit Sauerstoff angereichert ist, und daß ein Zustand, in dem die Sauerstoffzufuhr gleich Null und die Lichtabsorptionsveränderung konstant ist, als ein Zustand definiert ist, in dem das gesamte Myoglobin desoxydiert ist, werden die Absorptionsveränderungen über die gesamte Skala bestimmt. Wenn man so verfährt, kann die Desoxy-dationsrate des Myoglobin an jedem Punkt der Skala erhalten und auf der Basis der Eichkurve in eine Sauerstoffkonzentration umgewandelt werden.
Wie vorher beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Fraunhofersche Beugungserscheinung nullter Ordnung verwendet, bei dem die Komponenten höherer Ordnung ausgeblendet sind, wodurch die Streukomponenten gedämpft und nur das Informationslicht erfaßt wird und dadurch eine optische Computertomografie-Abbildung mit hoher Auflösung erhalten wird. In Anwendung auf einen menschlichen Körper kann, zum Beispiel, eine Abbildung eines menschlichen Blutgefäßes allein unter Verwendung einer Wellenlänge beobachtet werden, welche, zum Beispiel, dem Absorptionsbereich des Hämoglobins entspricht. In dem Licht einer Wellenlänge, die der Absorptionswellenlänge des Nervensystems entspricht, kann eine Abbildung des Nervensystems beobachtet werden. Wenn es gewünscht wird, ein Objekt zu beobachten, das eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, z. B. Hirnzellen, Knochen, spezifische Zellen usw., kann nur der Bereich, der betrachtet werden soll, klar abgebildet und durch Beleuchten des Objektes mit Licht einer speziellen Absorptionswellenlänge beobachtet werden. Somit kann die vorliegende Erfindung zu großen Verbesserungen in der Medizintechnik usw. führen.

Claims

1. Genaues optisches Richtsystem, mit:

einer Laserlichtquelle;

einer ersten konvexen Linse (Ob1; GL1);

einer Blendenöffnung (P), die in einer Brennpunktebene der ersten konvexen Linse (Ob1; GL1) angeordnet ist, wobei die Blendenöffnung (P) einen Durchmesser hat, der nicht größer ist als der erste dunkle Ring einer Fraunhoferschen Beugungserscheinung, die durch die Laserlichtquelle und die erste konvexe Linse (Ob1; GL1) erzeugt wird, und einer zweiten konvexen Linse (Ob2, GL2), die an der Ausgangsseite der Blendenöffnung (P) angeordnet ist, so daß die vordere Brennpunktebene der zweiten konvexen Linse (Ob2; GL2) mit der Ebene der Blendenöffnung (P) übereinstimmt, wobei die zweite konvexe Linse (Ob2, GL2) im wesentlichen die gleiche ist wie die erste konvexe Linse (Ob1; GL1), wodurch eine Lichtkomponente, die durch die Blendenöffnung (P) hindurchtritt, entfernt werden kann, nachdem sie in eine ebene Welle umgewandelt ist.

2. Genaues optisches Richtsystem, mit:

einer Laserlichtquelle;

einer ersten konvexen Linse (Ob1; GL1);

einer optischen Faser (SM), die in einer Brennpunktebene der ersten konvexen Linse (Ob1; GL1) angeordnet ist, wobei die optische Faser (SM) einen Kern mit einem Durchmesser hat, der nicht größer ist als der erste dunkle Ring einer Fraunhoferschen Beugungserscheinung, die durch die Laserlichtquelle und die konvexe Linse (Ob1; GL1) erzeugt wird, und einer zweiten konvexen Linse (Ob2; GL2), die an der Ausgangsseite der optischen Faser (SM) angeordnet ist, so daß die vordere Brennpunktebene der zweiten konvexen Linse (Ob2; GL2) mit der Ausgangsendfläche der optischen Faser (SM) übereinstimmt, wobei die zweite konvexe Linse (Ob2; GL2) im wesentlichen die gleiche ist wie die erste konvexe Linse (Ob1; GL1), wodurch eine Lichtkomponente, die durch die optische Faser (SM) hindurchtritt, entfernt werden kann, nachdem sie in eine ebene Welle umgewandelt ist.

3. Genaues optisches Richtsystem, mit einem Bündel von genauen optischen Richtsystemen, jedes nach Anspruch 1 oder 2, die als einheitliche optische Elemente gebildet sind.

4. Genaues optisches Richtsystem nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem jede konvexe Linse eine Objektivlinse (Ob1, Ob2) enthält.

5. Genaues optisches Richtsystem nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem jede konvexe Linse eine Gradientenlinse (GL1-GL2) enthält.

6. Genaues optisches Richtsystem nach Anspruch 3, bei dem jede konvexe Linse eine Platten-Mikrolinse (PM1, PM2) enthält.

7. Genaues optisches Richtsystem, mit:

einem genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystem, das ein Bündel von genauen optischen Richtelementen, jedes nach Anspruch 1 oder 2, und ein- oder zweidimensionale Fotodetektoren enthält, die an der Ausgangsseite des genauen optischen Mehrstrahlen-Richtsystems angeordnet sind, wodurch nur eine ebene Welle mit einer ein- oder zweidimensionalen Intensitätsverteilung erfaßt wird, die aus einer vorbestimmten Richtung eintritt.