WO1996032053A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer zweiten, von einer ersten in einem raumbereich eines gegenstands erzeugten strahlung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung einer zweiten, von einer ersten in einem raumbereich eines gegenstands erzeugten strahlung Download PDF

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WO1996032053A1
WO1996032053A1 PCT/CH1996/000137 CH9600137W WO9632053A1 WO 1996032053 A1 WO1996032053 A1 WO 1996032053A1 CH 9600137 W CH9600137 W CH 9600137W WO 9632053 A1 WO9632053 A1 WO 9632053A1
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radiation
spatial
light guide
area
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PCT/CH1996/000137
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Jaroslav Ricka
Franz Jun. Frankhauser
Ulrich Dürr
Luigi Rovati
Original Assignee
Meridian Ag
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/0008—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes provided with illuminating means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/12—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes
    • A61B3/1225—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes using coherent radiation

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, a device according to the preamble of claim 4 and a use according to claim 9.
  • optical scattering analyzer is known from US Pat. No. 5,072,731, in which a first radiation was focused into the eye at an angle to the optical axis. The radiation was supplied with a light guide from a radiation source. The second radiation generated at the focal point in or on the eye was collimated with a lens arranged in the optical axis of the eye, deflected, then coupled into a further light guide and guided to a detector.
  • An optical measuring device is known from US Pat. No. 4,253,744, in which the radiation from a radiation source is applied a small diverter was focused and redirected. This deflected radiation was then focused with a focusing lens on the surface of the crown of the human eye and broadened again conically in the interior of the eye to illuminate the fundus.
  • the radiation reflected from the back of the eye was collimated through the eye lens, focused by the focusing lens onto a focal point in front of the beam deflector in such a way that at least some of this reflected radiation radiated past the outside of the beam deflector, which then focused on a detector for measurement with a further focusing lens was focused.
  • the object of the invention is to measure a method and a device for the optical measurement of a second radiation (scattered or linear radiation generated by a first radiation in a spatial area of an object, the spatial area being limited only by a spatially very limited one) View cross section is accessible.
  • the invention additionally solves the problem of creating a high intensity of the first radiation at the measuring location within the object to be measured, which intensity then rapidly decreases outside, so that surrounding areas or walls of the object are not exposed to any risk of damage from the first radiation.
  • the additional object of determining scatter and luminescence in the interior of an object is also achieved, which radiation can only be accessed via a covering opening, the position of the spatial region emitting the second radiation being reliably determinable in order to keep it from being radiated - to be able to keep away from sensitive areas or to choose a structure which allows measurement with a radiation intensity below the damage threshold.
  • the object is achieved in that the stimulating or illuminating (first) radiation and the reflected, scattered or (second) radiation emitted by optical excitation are shaped as parallel, cylindrical coaxial beams, whereby however, the two radiations are separate.
  • This type of shaping of two beams allows them to pass through a spatially restrictive cross-section of the incoming and outgoing radiation separately from one another into the otherwise closed interior of a room.
  • Appropriate adaptation of the passage cross sections or the radiations results in an almost complete use of the entire view cross section in terms of area.
  • a circular disc-shaped beam cross-section of a beam is used in the case of a circular see-through cross section which is surrounded by the other in a ring shape.
  • the cross-section of the view has a contour which deviates from this (for example square), one becomes a corresponding beam cross .
  • Select cuts e.g. a square in a square ring. Due to the good use of area, an optimal intensity setting of the illuminating beam is also possible, such that, for example, no material changes can occur. It is also possible to work with high sensitivity with a view to the second beam. Only the fundamental optical laws of light propagation such as diffraction effects, diffraction limitation etc. form a limitation.
  • the beam generating the scatter is now designed as a “hollow beam”, into whose “cavity” the scattered radiation is then returned. Due to the preferred configuration of the exciting beam as a hollow beam, it results after the focusing lens outside the focal point on a catcher a ring, from the diameter of which the distance of the focus point from the catcher can be specified given a known focus length.
  • the beam cross section of the outer (first) beam is selected so large in connection with the focusing element that it can just be guided through the opening after this in order to achieve the greatest possible focusing. Is z.
  • the beam cross-section is selected such that it is not delimited by the edges of the eye lens at a focal point directly above the retina. Since one beam now focuses and the other is collimated by one and the same element, it is also possible to clearly assign the location measured or to be measured.
  • the radiation detector is used against a second one
  • the incoming radiation and the scattered radiation are preferably supplied via light guides to which the radiation detector and the radiation source can be coupled.
  • the two light guides are designed as single-mode light guides for the basic mode, the first radiation can be focused well into a very small focal point owing to its intensity distribution having a Gaussian cross section the second radiation can be detected selectively with a high transverse coherence, such as e.g. B. in J. RiCka, "Dynamic light scattering with single-mode and multimode receivers", Applied Optics, Vol. 32, No. 15, May 20, 1993, pp. 2860-2875.
  • a high transverse coherence such as e.g. B. in J. RiCka, "Dynamic light scattering with single-mode and multimode receivers", Applied Optics, Vol. 32, No. 15, May 20, 1993, pp. 2860-2875.
  • a high transverse coherence such as e.g. B. in J. RiCka, "Dyna
  • the invention is by no means restricted to the human eye. This example should only illustrate the high sensitivity of the reflected, scattered or generated (second) radiation as well as the use of a relatively high intensity of the irradiating (first) radiation without endangering the eye or its retina in an easily visible representation .
  • any object can be imagined that is only accessible through a very limited cross-section of the view.
  • combustion chambers flame spectroscopy, (7), in which combustion processes must be checked or determined optically in accordance with the above-mentioned explanations with a first and a second radiation.
  • the device and the method described below can also be used in chemical systems which, for example, only allow small windows (for example diamond windows) for cost reasons.
  • the light scattering property of the vitreous body 1 of the human eye 3 is measured, on the cornea 31 of which a contact glass 2 is placed.
  • the first radiation 7 which generates the scattered radiation in a predetermined spatial region 5 in the eye 3 comes from a light source 9, e.g. B. a He-Ne laser or a diode laser.
  • the radiation 7 is guided over a light guide 10 and, at the other end thereof, is converted with a collimator 11 into a collimated beam 12 with the diameter d.
  • Arranged in the beam axis of the collimated beam 12 is an optical element 13 inclined at 45 °, the central surface 14 facing the collimator 11 is absorbent and the opposite surface 15 is mirrored.
  • the diameter e of the optical element 13 projected perpendicular to the beam axis is chosen so large that only a central part of the collimated beam 12 is shadowed, as a result of which an annular, "hollow cylindrical"
  • Beam 17 is created. This beam 17 is deflected by 45 ° with a deflecting mirror 19 and then focused into the vitreous body 1 of the eye 3 with a focusing lens 21, the divergence of the focused beam being chosen to be as large as that due to the diameter of the eye lens 32 defined entry opening just allowed.
  • the radiation 7 has an intensity distribution which is Gaussian in cross section and can therefore be focused at the focus point 5 to a minimum diameter which is smaller the larger the beam diameter of the beam 12 and the smaller the focal length of the focusing lens 21 is.
  • the beam expands and a ring 23 can then be seen on the retina 22.
  • the focal length of the focus sierlinse 21 is known to unambiguously infer the distance of the focal point 5 from the retina 22.
  • scattered radiation 4 is generated in accordance with the existing scattering centers.
  • a special spatial scatter characteristic is not discussed here.
  • a part 4 of this scattered radiation is formed by the focusing lens 21, which now acts as a collimator, into a collimated ("full") beam 25, which with the deflecting mirror 19 and through the reflecting surface 15 of the optical element 13 into a Coupling unit 27 for coupling this radiation 25 into a light guide 30 connected to a detector 29 is directed.
  • a single-photon avalanche diode is preferably used as the detector 29.
  • the scattered radiation can now also be selected by selecting the light guide 30 as a single-mode fiber.
  • the light guide 30 as a single-mode fiber.
  • only a transversely coherent radiation mode is selected from the scattered radiation, so that due to the scattering characteristic in the Focus point 5, the radiation incident on the detector 29 has large temporal fluctuations. Based on these fluctuations, temporal fluctuations in the density in the examined location 5 can be concluded. So z. B. viscoelastic properties of the vitreous body of the human eye can be measured.
  • the selective selection of a single radiation mode also enables a distinction to be made between radiation components which result from tissue fluctuations and which result from fixed tissue parts.
  • a polarizer 33 can be introduced into the collimated radiation 25.
  • Focus point 5 is evaluated, an exact adjustment of the collimator 11, the optical element 12, the deflecting mirror 19, the focusing lens 21 and the coupling unit 27 must be carried out.
  • An umbrella (not shown) is now set up at the location of the retina 22.
  • the optical elements 11, 13, 19 and 21 located in the illuminating beam path 7, 12 and 17 are now set such that the ring 23 appears on the screen.
  • the detector 29 is replaced by a light source, not shown.
  • the light from the new radiation source instead of the detector 29 now emerges via the coupling unit 27 as a collimated beam, is deflected by the reflecting surface 13 and the deflector 19 and is focused with the focusing lens 21.
  • the decoupling unit 27 is pivoted and its lateral position relative to the reflecting surface 13 is adjusted until the radiation from the light source replacing the detector 29 lies in the center of the ring 23. Even if the distance of the focusing lens 21 changes, it must be remain in the central position. If the distance of the focal point from the screen changes, the diameter of the radiation ring 23 of the light source 9 and the diameter of the circular disk of the radiation emanating from the light source replacing the detector change.
  • the illuminating Since the illuminating, first radiation is supplied from the light source 9 and the scattered radiation is returned to the detector 29 via a flexible light guide 10 or 30, the actual measuring apparatus, consisting of the optical elements 11, 13, 19, 21 and 27, compact and handy, separate from the i. a. voluminous light source 9 and evaluation unit - detector 29 with downstream evaluation electronics.
  • the two beams can also be guided lying next to one another, the large divergence with optimal focusing of the exciting beam and the one described above being simple Determination of the position of the scattering location are no longer given.
  • Modulated stimulating radiation can be used to reduce the signal-to-noise ratio.
  • the deflecting mirror 19 is not absolutely necessary. However, it is preferably designed in such a way that its central region 35, with which the second beam 25 is deflected, bears a 100% reflection for the wavelength of the second radiation.
  • the area 37 surrounding the area 35 is partially transparent, so that the luminous ring 23 used for determining the distance on the retina 22 can be evaluated with an observation optical system 39.
  • the wavelength of the radiated radiation is equal to the scattered radiation.
  • the shading area 14 of the optical element 13 can also be made reflective. Part of this reflected first radiation can then be used in a second detector to check the radiation intensity of the first radiation 7. The remaining reflected first radiation is then collected in an absorber.

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Abstract

Zur Messung einer, von einer auf einen Raumbereich (5) innerhalb eines Gegenstands (3) fokussierten ersten Strahlung erzeugten zweiten Strahlung (4, 25) wird die erste und zweite Strahlung, ausgehend vom bzw. zum Raumbereich (5) als gemeinsames Strahlenbündel (17, 25) nach ein- und demselben optischen Element (21) zur Fokussierung der ersten Strahlung und Kollimierung der zweiten Strahlung über einen zweiten Lichtleiter (30) zu einer Meßeinheit (29) geleitet. Im Strahlenbündel sind die erste und zweite Strahlung (die in den und vom Raumbereich (5) ausgesandte Strahlung) zueinander parallel, zylindrisch koaxial, jedoch örtlich voneinander getrennt geführt. Es werden Streuung und Lumineszenz gemessen bzw. bestimmt, welche lediglich aus dem Raumbereich (5) stammen können. Auch kann innerhalb des auszumessenden Gegenstands (3) punktförmig eine relativ hohe Intensitätsdichte erzeugt werden, welche dann außerhalb rasch abnimmt, wodurch umliegende Bereiche bzw. Wände des Gegenstands (3) keiner Schädigungsgefahr ausgesetzt werden. Es können ferner Streuung und Lumineszenz im Inneren (1) eines Gegenstands (3) bestimmt werden, welche nur über eine abdeckende Öffnung (32) strahlungsmäßig zugänglich sind, wobei die Lage des Streu- bzw. Lumineszenzraumbereichs (5) derart sicher bestimmbar ist, daß er von strahlungsempfindlichen Bereichen ferngehalten werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer zweiten, von
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erzeugten Strahlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe¬ griff des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 sowie eine Verwendung ge- maß Patentanspruch 9.
Aus der US-A 5 072 731 ist ein "Optical Scattering Analyzer" bekannt, bei dem eine erste Strahlung in das Auge unter einen Winkel zur optischen Achse fokussiert wurde. Die Strahlung wurde mit einem Lichtleiter von einer Strahlungs¬ quelle zugeführt. Die im Fokuspunkt im bzw. auf dem Auge er¬ zeugte zweite Strahlung wurde mit einer in der optischen Achse des Auges angeordneten Linse kollimiert, umgelenkt, dann in einen weiteren Lichtleiter eingekoppelt und zu einem Detektor geführt.
Aus der US-A 4 253 744 ist eine optische Meßeinrichtung bekannt, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle auf einen kleinen Umlenker fokussiert und umgelenkt wurde. Diese umgelenkte Strahlung wurde dann mit einer Fokussierlinse auf die Oberfläche der Kronea des menschlichen Auges fokussiert und verbreiterte sich wieder kegelförmig im Inneren des Auges zur Beleuchtung des Augenhintergrundes. Die vom Augen¬ hintergrund reflektierte Strahlung wurde durch die Augenlin¬ se kollimiert, durch die Fokussierlinse auf einen Fokuspunkt vor dem Strahlumlenker derart fokussiert, daß wenigstens ein Teil dieser reflektierten Strahlung außen am Strahlumlenker vorbeistrahlte, der dann mit einer weiteren Fokussierlinse auf einen Detektor zur Messung fokussiert wurde.
Eine analoge Vorrichtung beschreibt die US-A 5 116 116, wobei hier die reflektierte Strahlung des Augenhintergrundes nicht mehr am U klenkspiegelrand außen vorbeigeführt wird, sondern durch eine Durchtrittsöffnung in dessen Zentrum. Die beleuchtende Strahlung wird im Randbereich des Uralenkspie- gels umgelenkt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung einer zweiten, von einer ersten in einem Raumbereich eines Gegenstands erzeugten Strahlung (Streu- oder Lu ineszensstrahlung zu messen, wo¬ bei der Raumbereich nur durch einen räumlich stark be- schränkten Durchblicksquerschnitt zugänglich ist.
Die Erfindung löst zusätzlich die Aufgabe, innerhalb des auszumessenden Gegenstands eine hohe Intensität der ersten Strahlung am Meßort zu schaffen, welche dann außerhalb rasch abnimmt, wodurch umliegende Bereiche bzw. Wände des Gegen¬ stands durch die erste Strahlung keiner Schädigungsgefahr ausgesetzt werden.
Auch wird die zusätzliche Aufgabe gelöst, Streuung und Lumineszenz im Inneren eines Gegenstands zu bestimmen, wel¬ che nur über eine abdeckende Öffnung strahlungsmäßig zugäng¬ lich ist, wobei die Lage des die zweite Strahlung aussenden¬ den Raumbereichs sicher bestimmbar ist, um ihn von strah- lungsempfindlichen Bereichen fernhalten zu können bzw. einen derartigen Aufbau zu wählen, der eine Messung mit einer Strahlungsintensität unter der Schädigungsschwelle zuläßt.
Die Lösung der Aufgabe wird dadurch erreicht, daß die anregende bzw. beleuchtende (erste) Strahlung und die re¬ flektierte, gestreute bzw. durch optische Anregung ausge¬ sandte (zweite) Strahlung als zueinander paralleles, zylin¬ drisch koaxiales Strahlenbündel geformt werden, wobei jedoch die beiden Strahlungen voneinander getrennt sind. Diese Art der Formung zweier Strahlen gestattet deren Durchtritt durch einen räumlich stark beschränkenden Durchblicksquerschnitt der ein- sowie auch der austretenden Strahlung getrennt von¬ einander in das ansonsten abgeschlossene Innere eines Rau- mes. Durch eine entsprechende Anpassung der Durchtrittsquer¬ schnitte bzw. der Strahlungen ist eine nahezu vollständige flächenmäßige Ausnützung des gesamten Durchblicksquer¬ schnitts gegeben. In der Regel wird man bei einem kreisför¬ migen Durchblicksquerschnitt einen zentrischen scheibenför- migen Strahlquerschnitt eines Strahls verwenden, der ring¬ förmig vom anderen umgeben wird. Hat der Durchblicksquer¬ schnitt eine hiervon abweichende Kontur (beispielsweise qua¬ dratisch) , wird man entsprechende Strahlque.rschnitte wählen (z. B. ein in einem viereckigen Ring liegendes Quadrat). Aufgrund der guten Flächenausnutzung ist auch eine optimale Intensitätseinstellung des beleuchtenden Strahls möglich, derart, daß beispielsweise keine Materialveränderungen ein¬ treten können. Auch kann mit Blick auf den zweiten Strahl mit hoher Empfindlichkeit gearbeitet werden. Eine Beschrän- kung bilden nur noch die fundamentalen optischen Gesetz¬ mäßigkeiten der Lichtausbreitung wie Beugungseffekte, Beu¬ gungsbegrenzung etc..
In bevorzugter Weise wird nun der die Streuung erzeugen- de Strahl als "Hohlstrahl" ausgebildet, in dessen "Hohlraum" dann die gestreute Strahlung zurückgeführt wird. Durch die bevorzugte Ausbildung des anregenden Strahls als Hohlstrahl ergibt er nach der Fokussierlinse außerhalb des Fokuspunktes auf einem Auffänger einen Ring, aus dessen Durchmesser bei bekannter Fokuslänge der Abstand des Fokuspunkts vom Auffän¬ ger angegeben werden kann.
Durch das "Ineinanderschachteln" des die zweite Strah¬ lung erzeugenden ersten Strahls mit der erzeugten zweiten Strahlung ist eine optimale Strahlführung in das Innere ei¬ nes Gegenstands auch durch eine diesen bedeckende Öffnung möglich. Der Strahlquerschnitt des äußeren (ersten) Strahls wird in Verbindung mit dem Fokussierelement derart groß ge¬ wählt, daß er nach diesem gerade noch durch die Öffnung führbar ist, um eine möglichst starke Fokussierung zu errei¬ chen. Wird z. B. der Glaskörper des menschlichen Auges aus¬ gemessen, so wird der Strahlquerschnitt derart gewählt, daß er bei einem Fokuspunkt unmittelbar über der Retina gerade durch die Augenlinsenränder nicht begrenzt wird. Da nun durch ein- und dasselbe Element der eine Strahl fokussiert und der andere kollimiert wird, ist zudem eine eindeutige Zuordnung des ausgemessenen bzw. auszumessenden Orts mög- lieh. Hierzu wird der Strahlungsdetektor gegen eine zweite
Strahlungsquelle ausgetauscht. Aufgrund der "Strahlungsrich- tungsumkehr" ist nun sehr einfach zu überprüfen, ob die vom vorgegebenen Ort (Fokuspunkt) ausgesandte Strahlung auch in den Detektor kommen würde. Dies ist immer dann gegeben, so- bald die Strahlung der ersten und der zweiten Strahlung sich in einem Punkt vereinigen. Zur Vereinfachung der Justage kann hierzu verschiedenfarbiges Licht, insbesondere Laser¬ strahlung, verwendet werden. Eine Fokuspunktverschiebung in¬ folge der unterschiedlichen Wellenlängen kann in erster Nä- herung vernachlässigt werden.
Die Zuleitung der eingestrahlten sowie der gestreuten Strahlung erfolgt bevorzugt über Lichtleiter, an die der Strahlungsdetektor sowie die Strahlungsquelle ankoppelbar sind. Werden die beiden Lichtleiter als Monomodelichtleiter für den Grundmode ausgelegt, so kann die erste Strahlung aufgrund ihrer im Querschnitt gaußförmigen Intensitätsver¬ teilung gut in einen sehr kleinen Fokuspunkt fokussiert und die zweite Strahlung selektiv mit hoher transversaler Kohä¬ renz detektiert werden, wie z. B. in J. RiCka, "Dynamic light scattering with single-mode and multimode receivers", Applied Optics, Vol. 32, No. 15, 20. Mai 1993, S. 2860 - 2875 ausgeführt ist. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung kann selbst bei der hohen Selektivität z. B. mit einem anre¬ genden Strahl einer Leistung von lediglich 10 μW gearbeitet werden. Eine Vorrichtung, welche mit derart geringen Lei¬ stungen auskommt, bietet sich zur Messung am Glaskörper des menschlichen Auges geradezu an. Aufgrund einer unten be¬ schriebenen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vermieden werden, daß auf die empfindliche Retina eine diese schädigende Strahlungsintensität auftreffen könnte.
Die Erfindung ist keineswegs auf das menschliche Auge beschränkt. Dieses Beispiel sollte nur in einer leicht ein¬ sehbaren Darstellung die hohe Empfindlichkeit der reflek¬ tierten, gestreuten oder erzeugten (zweiten) Strahlung sowie die Verwendung einer relative hohen Intensität der bestrah- lenden (ersten) Strahlung ohne Gefährdung des Auges bzw. deren Retina verdeutlichen.
Anstelle des Auges ist jeder Gegenstand, (Raum) vorstell¬ bar, der lediglich durch einen stark beschränkten Durch- blicksquerschnitt zugänglich ist. Man denke hier nur an Hochdruckfenster in Brennkammern (Flammanspektrosko- pie, ...), in denen Verbrennungsvorgänge optisch gemäß oben genannten Ausführungen mit einer ersten und einer zweiten Strahlung kontrolliert bzw. bestimmt werden müssen. Auch bei chemischen Anlagen, welche beispielsweise aus Kostengründen nur kleine Fenster (z. B. Diamantfenster) zulassen, ist die unten beschriebene Vorrichtung sowie das Verfahren einsetz¬ bar.
Im folgenden wird ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Beschreibungstext.
In der schematischen Darstellung wird beispielsweise die Lichtstreueigenschaft des Glaskörpers 1 des menschlichen Auges 3 gemessen, auf dessen Hornhaut 31 ein Kontaktglas 2 angelegt ist. Die die Streustrahlung in einem vorgegebenen Raumbereich 5 im Auge 3 erzeugende erste Strahlung 7 kommt von einer Lichtquelle 9, z. B. einem He-Ne-Laser oder einem Diodenlaser. Ausgehend von der Lichtquelle 9 wird die Strah- lung 7 über einen Lichtleiter 10 geführt und an dessen ande¬ rem Ende mit einem Kollimator 11 in einen kollimierten Strahl 12 mit dem Durchmesser d umgeformt. In der Strahlach¬ se des kollimierten Strahls 12 ist ein unter 45° geneigtes optisches Element 13 angeordnet, dessen dem Kollimator 11 zugewandte zentrische Oberfläche 14 absorbierend und dessen entgegengesetzte Oberfläche 15 verspiegelt ist. Der zur Strahlachse senkrecht projizierte Durchmesser e des optischen Elements 13 ist so groß gewählt, daß lediglich ein zentrischer Teil des kollimierten Strahls 12 abgeschattet wird, wodurch ein ringförmiger, "hohlzylindrischer"
Strahl 17 entsteht. Dieser Strahl 17 wird mit einem Umlenk¬ spiegel 19 um 45° umgelenkt und dann mit einer Fokussierlin¬ se 21 in den Glaskörper 1 des Auges 3 fokussiert, wobei die Divergenz des fokussierten Strahls so groß gewählt wird, wie es die durch den Durchmesser der Augenlinse 32 definierte Eintrittsöffnung gerade erlaubt.
Wurde nun als Lichtleiter 10 ein Monomodelichtleiter ausgewählt, so hat die Strahlung 7 eine im Querschnitt gauß- förmige Intensitätsverteilung und läßt sich somit im Fokus¬ punkt 5 auf einen minimalen Durchmesser fokussieren, der um¬ so kleiner ist, je größer der Strahldurchmesser des Strahls 12 und je kleiner die Brennweite der Fokussierlin¬ se 21 ist.
Nach dem Fokuspunkt 5 weitet sich der Strahl auf und es ist auf der Retina 22 dann ein Ring 23 erkennbar. Aus dem Durchmesser des Rings 23 ist, da die Brennweite der Fokus- sierlinse 21 bekannt ist, auf den Abstand des Fokuspunktes 5 von der Retina 22 eindeutig zu schließen.
In allen Bereichen des "hohlen Strahls " 17, am stärk- sten in dessen Fokuspunkt 5 wird eine Streustrahlung 4 ent¬ sprechend der vorhandenen Streuzentren erzeugt. Auf eine spezielle räumliche Streucharakteristik wird hier nicht ein¬ gegangen. Ein Teil 4 dieser Streustrahlung wird durch die nun als Kollimator wirkende Fokussierlinse 21 in einen kol- limierten ("Voll-")Strahl 25 geformt, der mit dem Umlenk¬ spiegel 19 und durch die spiegelnde Oberfläche 15 des opti¬ schen Elements 13 in eine Einkoppeleinheit 27 zum Einkoppeln dieser Strahlung 25 in einen mit einem Detektor 29 verbunde¬ nen Lichtleiter 30 gelenkt wird. Als Detektor 29 wird bevor- zugt eine Single-Photon-Avalanche-Diode verwendet. Durch die Anordnung der Fokussierlinse 21, der spiegelnden Oberflä¬ che 15, der Einkoppeleinheit 27 sowie der Auswahl des ver¬ wendeten Lichtleitertyps - es wird hier aufgrund der gefor¬ derten hohen Selektivität (insbesondere Kohärenzselektivi- tat) ein Monomodelichtleiter verwendet - erfolgt eine selek¬ tive Auswahl der rückgestreuten Strahlung. In der Darstel¬ lung ist nur dieser Strahlengang gezeigt.
Wie nun unschwer aus der Darstellung ersichtlich ist, kann nur die gestreute Strahlung des Strahlengangs 25 aus dem Volumen des Fokuspunkts 5 in den Lichtleiter 30 und da¬ mit auf den Detektor 29 gelangen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß eine Überlappung des ersten mit dem zweiten Strahl lediglich im Fokuspunkt 5 erfolgt. Z. B. von der Hornhaut 31 bzw. von der Augenlinse 32 gestreute Strahlung würde nicht in den Lichtleiter 30 gelangen und damit auch nicht vom Detektor 29 gemessen.
Eine Selektionierung der gestreuten Strahlung kann nun ebenfalls dadurch erfolgen, daß der Lichtleiter 30 als Mono- modefaser ausgewählt wird. Hierdurch wird aus der Streu¬ strahlung lediglich ein transversal kohärenter Strahlungs¬ mode ausgewählt, wodurch aufgrund der Streucharakteristik im Fokuspunkt 5 die auf den Detektor 29 auffallende Strahlung große zeitliche Schwankungen aufweist. Ausgehend von diesen Schwankungen kann auf zeitliche Schwankungen der Dichte im untersuchten Ort 5 geschlossen werden. Es können so z. B. viskoelastische Eigenschaften des Glaskörpers des menschli¬ chen Auges gemessen werden. Die selektive Auswahl eines ein¬ zigen Strahlungsmodes ermöglicht zudem, Strahlungsanteile zu unterscheiden, welche von Gewebefluktuationen und welche von fixen Gewebeteilen herrühren.
Wird lediglich eine große Empfindlichkeit verlangt, so arbeitet man mit Multimodelichtleitern. Aufgrund der Aus¬ wechselbarkeit der Lichtleiter 10 und 30 kann der jeweils gewünschte optimale Lichtleitertyp problemlos eingesetzt werden.
Ferner kann in die kollimierte Strahlung 25 ein Polari¬ sator 33 eingebracht werden.
Damit auch nur gestreute Strahlung aus dem Volumen des
Fokuspunktes 5 ausgewertet wird, muß eine exakte Justage des Kollimators 11, des optischen Elements 12, des Umlenkspie¬ gels 19, der Fokussierlinse 21 und der Einkoppeleinheit 27 vorgenommen werden. Es wird nun etwa an der Stelle der Reti- na 22 ein nicht dargestellter Schirm aufgestellt. Die im be¬ leuchtenden Strahlengang 7, 12 und 17 befindlichen optischen Elemente 11, 13, 19 und 21 werden nun derart eingestellt, daß auf dem Schirm der Ring 23 erscheint. Der Detektor 29 wird gegen eine nicht dargestellte Lichtquelle ausgetauscht. Das Licht der neuen Strahlungsquelle an Stelle des Detek¬ tors 29 tritt nun über die Einkoppeleinheit 27 als kolli- mierter Strahl aus, wird durch die spiegelnde Fläche 13 und den Umlenker 19 umgelenkt und mit der Fokussierlinse 21 fo¬ kussiert. Die Auskoppeleinheit 27 wird solange verschwenkt und deren seitliche Position zur spiegelnden Fläche 13 der¬ art verstellt, bis die Strahlung der den Detektor 29 erset¬ zenden Lichtquelle in der Mitte des Rings 23 liegt. Auch bei einer Abstandsveränderung der Fokussierlinse 21 muß diese zentrische Lage erhalten bleiben. Bei einer Veränderung des Abstands des Fokuspunkts vom Schirm ändert sich der Durch¬ messer des Strahlungsrings 23 der Lichtquelle 9 sowie der Durchmesser der kreisförmigen Scheibe der von der den Detek- tor ersetzenden Lichtquelle ausgehenden Strahlung.
Da die Zuführung der beleuchtenden, ersten Strahlung von der Lichtquelle 9 sowie die Rückführung der gestreuten Strahlung zum Detektor 29 jeweils über einen flexiblen Lichtleiter 10 bzw. 30 erfolgt, kann die eigentliche Meßap¬ paratur, bestehend aus den optischen Elementen 11, 13, 19, 21 und 27, kompakt und handlich, getrennt von der i. a. voluminösen Lichtquelle 9 und Auswerteeinheit - Detektor 29 mit nachgeschalteter Auswerteelektronik - ausgebildet wer- den.
Zum Ausmessen der Streueigenschaften des Glaskörpers 1 des Auges 3 wird nun der Abstand der einjustierten Linse 21 über dem Auge geändert.
Anstatt einen beleuchtenden "hohlen" Strahl mit zent¬ risch in ihm verlaufendem Streustrahl zu verwenden, können die beiden Strahlen auch nebeneinander liegend geführt wer¬ den, wobei dann die große Divergenz mit optimaler Fokussie- rung des anregenden Strahls sowie die oben beschriebene ein¬ fache Bestimmung der Lage des streuenden Orts nicht mehr ge¬ geben sind.
Eine Vertauschung von beleuchtendem und streuendem Strahlengang ist zwar möglich, es ist aber dann darauf zu achten, daß der Fokuspunkt beim Ausmessen des Glaskörpers nicht zu nahe an die Retina gelegt wird, um deren Beschädi¬ gung durch die auftreffende Strahlung zu vermeiden.
Zur Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann mit einer modulierten anregenden Strahlung gearbeitet werden.
Anstatt mit kollimierten Strahlen zu arbeiten, können auch Strahlen mit ein- und demselben Divergenzwinkel verwen¬ det werden. Auch diese Strahlen sollten konzentrisch zuein¬ ander angeordnet werden. Eine Verwendung kollimierter Strah¬ len wird jedoch beim Einsatz von Lichtleitern vorteilhafter- weise vorgenommen.
Der Umlenkspiegel 19 ist nicht zwingend notwendig. Er wird jedoch in bevorzugter Weise derart ausgebildet, daß sein zentrischer Bereich 35, mit dem der zweite Strahl 25 umgelenkt wird, eine 100%-Verspiegelung für die Wellenlänge der zweiten Strahlung trägt. Der den Bereich 35 umgebende Bereich 37 ist teildurchlässig, damit der zur Abstandsbe¬ stimmung verwendete, leuchtende Ring 23 auf der Retina 22 mit einer Beobachtungsoptik 39 auswertbar ist.
In den meisten Meßverfahren ist die Wellenlänge der ein¬ gestrahlten Strahlung gleich der gestreuten Strahlung. Es kann jedoch auch eine optische Anregung des Materials im Fo¬ kus erfolgen, so daß dann eine zusätzliche Strahlungsfre- quenz erzeugt wird. Durch eine geeignete Auswahl insbesonde¬ re des Lichtleiters 30 und eines Filters anstelle des Pola¬ risators 33 oder zusätzlich zu diesem, kann dann nur diese Strahlung analog zum obigen Meßverfahren ausgewertet werden.
Anstatt den abschattenden Bereich 14 des optischen Ele¬ ments 13 absorbierend auszubilden, kann er auch reflektie¬ rend ausgebildet werden. Ein Teil dieser reflektierten er¬ sten Strahlung kann dann in einem zweiten Detektor zur Über¬ prüfung der Strahlungsintensität der ersten Strahlung 7 ver- wendet werden. Die restliche reflektierte erste Strahlung wird dann in einem Absorber aufgefangen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung einer zweiten, von einer ersten in einem Raumbereich (5) eines Gegenstands (3) erzeugten
Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Strahlung (17, 25) zusammen als zueinander paral¬ lel, zylindrisch koaxial, jedoch voneinander getrennt verlaufende Strahlen eines Strahlenbündels geführt wer- den und mit ein- und demselben optischen Element (21) die erste Strahlung (17) in den Raumbereich (5) fokus¬ siert sowie die vom diesem (5) ausgehende zweite Strah¬ lung (4, 25) kollimiert wird, um optische Materialeigen¬ schaften in einem kleinen, in der Gegenstandstiefe lie- genden Raumbereich (5) durch einen räumlich stark be¬ schränkenden Durchblicksquerschnitt (32) hindurch mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung, welche nur durch die fundamentalen optischen Gesetzmäßigkeiten beschränkt werden, auszumessen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Strahl (17, 25) des Strahlenbündels (17, 25) als ein in einem "Hohlstrahl" _(17) liegender, bevorzugt koaxialer "Vollstrahl" (25) geführt werden, aus dem der zweite Strahl (25), insbesondere der "Voll¬ strahl" zur Weiterleitung in einen Lichtleiter (30) aus¬ geblendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, daß lediglich der Grundmode des zweiten Strahls
(25) im Lichtleiter (30) geführt wird, und aus den In¬ tensitätsschwankungen der gemessenen transmittierten Grundmode-Strahlung örtliche und zeitliche Dichteschwan¬ kungen im Raumbereich (5) bestimmt werden, und bevorzugt die erste Strahlung in einer Intensitätsverteilung mit gaußförmigem Grundmode zugeführt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein- und dasselbe, erste optische Element (21) zur Fokussierung eines ersten Strahls (12, 17) in einen vorgegebenen, in einer Gegenstandstiefe liegenden Raumbereich (5) sowie zur Kollimierung eines Teils der im Raumbereich (5) er¬ zeugten zweiten Strahlung (4) zu einem zweiten Strahl (25) und ein zweites optisches Element (13) zur zueinan¬ der parallel, zylindrisch koaxial, jedoch voneinander getrennt liegenden Ausbildung des ersten und zweiten Strahls auf der zum Raumbereich (5) abgewandten Seite des ersten Elements (21), damit kleine, in der Gegen¬ standstiefe liegende Raumbereiche (5) durch eine stark räumlich beschränkende, zwischen dem ersten optischen Element (21) und dem Raumbereich (5) liegende Durch- blicksöffnung (32) hindurch mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung, welche nur durch die fundamen¬ talen optischen Gesetzmäßigkeiten beschränkt werden, ausmeßbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (13) als Umlenkspiegel (15) für den zweiten Strahl (25) und gleichzeitiges Abschatt¬ element (14) für nur eine teilweise räumliche Abschat¬ tung des ersten Strahls (12) ausgebildet ist, damit der zweite Strahl (25) in dem durch die Abschattung erzeug¬ baren Raumbereich (e) führbar ist, und bevorzugt das ab¬ schattende und umlenkende, zweite optische Element (13) sowie die Strahlführung des ersten und zweiten Strahls (17, 25) derart angeordnet sind, daß beide Strahlen (17, 25) hierdurch koaxial zylindrisch zusammen als Strahlen¬ bündel führbar sind und insbesondere einer der Strahlen als "Hohlstrahl" (17) ausgebildet ist, in dessen "Hohl¬ raum" (e) der andere Strahl (25) getrennt führbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen bevorzugt als räumliches Strahlungsfilter für die Strahlung des zweiten Strahls (25) wirkenden, mit einer Strahlungsmeßeinheit (29) verbundenen Lichtleiter (30), der insbesondere auswechselbar und bevorzugt als Mono- modelichtleiter zur Erhöhung der Kohärenzselektivität bei Einhaltung einer maximalen Empfindlichkeit der Mes¬ sung der zweiten Strahlungsintensität ausgebildet ist sowie durch einen weiteren Lichtleiter (10), der für die Heranführung der ersten Strahlung von einer Strahlungs¬ quelle (9) dient, insbesondere ebenfalls auswechselbar und in vorteilhafter Weise für die Minimierung des Fo¬ kusdurchmessers der zu fokussierten ersten Strahlung als Monomodelichtleiter ausgebildet ist sowie durch einen Kollimator (11) zur Kollimierung der aus dem weiteren Lichtleiter (10) austretenden Strahlung (12) zum ersten Strahl (12, 17).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bevorzugt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strah¬ lungsdetektor (29) von dem einen Lichtleiter (30) gegen eine zweite Strahlungsquelle austauschbar ausgebildet ist, damit aufgrund einer "Strahlungsumkehr" eine opti- male Einkoppelbarkeit der zweiten Strahlung ausgehend vom Raumbereich (5) in den einen Lichtleiter (30) über¬ prüfbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekenn- zeichnet durch eine in axialer Richtung der koaxialen ersten und zweiten Strahlen (17, 25) wirkenden Verstell¬ einheit für das erste optische Element (21) zur Ver¬ schiebung des Raumbereichs (5) in der Gegenstandstiefe sowie bevorzugt eine Beobachtungsoptik (39) und einen teilweise teildurchlässigen Umlenkspiegel (19), mit dem die Intensität des ersten Strahls (17) teilweise sowie diejenige des zweiten Strahls (25) nahezu vollständig umlenkbar ist, wobei mit der Beobachtungsoptik (39) durch den teildurchlässigen Bereich (37) zur Lagebestim- mung des Raumbereichs (5) beobachtet werden kann.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 zur Bestimmung optischer Materialeigenschaften, insbesondere der Materialstreuung und -lumineszenz mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung in einem kleinen Raumbereich, der nur durch einen räumlich stark beschränkenden Durchblicksquerschnitt (32) hindurch be- trachtbar ist.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Durchblicksquerschnitt (32) gegenüberliegende Wand strahlungsempfindlich ist und deshalb nur von einer Strahlungsdichte getroffen werden darf, die bedeutend kleiner ist als diejenige, welche für die Bestimmung der Materialstreuung und -lumineszenz notwendig ist und ins¬ besondere am menschlichen Auge durch die Augenlinse als räumlich stark beschränkende Durchblicksöffnung hindurch im Glaskörper vorgenommen wird ohne jemals eine die Re¬ tina gefährdende Strahlungsdichte auf dieser zu erhal¬ ten.
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