WO1995016908A1 - Vorrichtung zum durchleuchten eines objektes - Google Patents

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WO1995016908A1
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Horst Halling
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium

Definitions

  • the invention relates to a device for illuminating an object.
  • the aim of the present invention is to provide a device for illuminating an object with, in particular, visible light with a high spatial resolution.
  • the device has means by means of which parallel light passes through a coded aperture and then this light is focused.
  • the object to be illuminated is positioned in the focal plane of the focused light.
  • Means can be provided that allow scanning within the focal plane by moving the object to be illuminated (the diffuse scatterer). Furthermore, the device has means for collimating that which passes through the object
  • a light-sensitive detector is provided, which collects the light collimated in this way.
  • the detector signal is sent to an electronic see image processing forwarded.
  • An expedient embodiment has, according to claim 2, means for shifting for the purpose of selective screening of individual areas of the object in the focal plane.
  • the diffuse spreader can thus be scanned step by step and overall a complete image of the illuminated object can be obtained by combining the individual signals of the local scanning.
  • Coding pattern is provided in the aperture, which is matched to the cross-correlation used for evaluating a measured detector signal.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of each
  • the device shown in FIG. 1 has a light source 1 which is positioned in the focal plane of a lens 2, so that behind this lens parallel light emerges from this lens 2 and through a coded aperture 4 and is then focused by a further lens 5 .
  • the diffuse spreader 6 to be illuminated is now positioned in the focal plane of the lens 5.
  • a diaphragm 7 After a diaphragm 7 has passed it, the light passing through it hits a detector 8, in particular a sensor array 8, for collimation. From there, the electrical signal recorded in this way is passed on to electronic image processing 9.
  • the device also has a scanning device, not shown in detail, which allows the diffuse scatterer 6 to be displaced in the focal plane of the lens 5, so that a successive scanning of the object is achieved with the aid of this device.
  • a light source 1 should be selected which has the highest possible light intensity.
  • the coded aperture 4 contains a specific pattern of openings in the aperture plane.
  • the electronic detector 8 can be, for example, a CCD or a diode array. In terms of the method, the object 6 to be examined is scanned gradually in the focal plane with the light patterned through the aperture 4, wherein the individual information thus obtained at the detector 8 are processed electronically to form an overall image. The measurement at one point of the object is explained in more detail below:
  • the pattern of the aperture would be obtained as a result on the detector.
  • This pattern is chosen such that a counter pattern exists in the electronic evaluation, the cross correlation of which with the pattern has a single, pronounced maximum. It was recognized that, when a diffuse scatterer is illuminated, diffuse scattered portions are added at a certain point, so that the pattern of the aperture is overlaid with a "veil". In contrast, the scattered light is not patterned, since this scattering is uncorrelated to the pattern.
  • the cross-correlation is carried out electronically and the pattern and scattered light do not overlap, the non-patterned part is suppressed by the cross-correlation.
  • the uncorrelated, non-patterned light makes no contribution to the maximum signal. Rather, the contribution of the uncorrelated light is negligibly small compared to the contribution of the correlated.
  • ⁇ xy ⁇ i, x [n + l, n + k] * y [l, k]
  • the height of the maximum of the light intensity measured at the detector is a measure of the light absorption in the spreader.
  • the location with increased light absorption can then be found with high resolution, since there the maximum of the cross-correlation function is smaller than at the neighboring locations.
  • the signal picked up by the detector shows a coding which corresponds to the pattern of the aperture, in the event that no spreader has been positioned in the device.
  • 2b and 2c is a modified pattern (code) for the case of the illumination of an object in the focal plane of the lens 5 of the device according to the invention, which also contains a scattered light component which is dependent on a more or less strong absorption in the diffuse one Spreader is weakened more ( Figure 2c) or less ( Figure 2b) at the local point.
  • the device in such a way that the measuring time per scanning point of the object to be examined is as short as possible, for example below one ms.
  • a scanning area of 100 x 100 mm 2 would enable a visual representation of the object within approximately 10 s. It is conceivable to move the spreader with the aid of a scanning device in order to carry out the scatter measurements. However, it is also conceivable to move the apparatus accordingly during the scanning in the case of a fixed-position spreader. This can be done
  • the coded aperture and the means for focussing the coded light can also be realized in that light is obtained by an arrangement of a plurality of glass fibers which are arranged with respect to one another in such a way that a converging light bundle is obtained on the light exit side of this glass fiber bundle. which has a defined, desired pattern due to the specifically arranged glass fiber.
  • the claimed device can be designed on the light entry side of the diffuse spreader using glass fiber technology and thus advantageously in a compact manner and, compared to optical lens systems, free of the disadvantages affecting such lens systems.
  • such a glass fiber arrangement can also be used on the light exit side of the diffuse scatterer in order to direct the light that has passed through the scatterer in the direction of to collect the spreader for the converging arrangement of glass fibers and to pass it on selectively to the detector, in particular the sensor array.
  • a glass fiber is provided for each individual glass fiber on the light entry side of the spreader for collecting and transmitting the light of this glass fiber on the light exit side of the spreader, which has a spatial orientation at its end adjacent to the spreader, which causes that the portion of the light which does not scatter on the diffuse scatterer and which emerges from the glass fiber on the light entry side and passes through the region of the scatterer to be examined, then on the light exit side of the scatterer at the end of the
  • Glass fiber reaches the glass fiber on the light exit side of the spreader and is collected and forwarded in this way.
  • Th e device for screening human Ge tissue disorders for example in the field of mammography is ge and would replace advantageously previously known method using X-ray fluoroscopy to some degree. However, it is also conceivable to use the device where non-human tissue is to be examined and thus examined.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchleuchten eines Objektes. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung zu schaffen, die mit sichtbarem Licht eine hohe Ortsauflösung ermöglicht. Im einzelnen ist dazu eine Kodierte Apertur (4) vorgesehen, durch die das parallele Licht hindurchtreten soll, sowie Mittel (5) zum Fokussieren dieses kodierten Lichtes. Das zu durchleuchtende Objekt (6) ist in der Brennebene des fokussierten Lichtes positioniert und es sind Mittel zum Kollimieren (7) des durch das Objekt hindurchtretenden Lichtes sowie ein dieses Licht auffangender lichtempfindlicher Detektor (8) vorgesehen. Die Vorrichtung ist zum Beispiel im Bereich der Mammographie geeignet und ersetzt teilweise bekannte Verfahren mit Hilfe von Röntgenstrahldurchleuchtung.

Description

Vorrichtung zum Durchleuchten eines Objektes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchleuch- ten eines Objektes .
Wird ein diffuser Streuer, z.B. menschliches Gewebe der Hand, mit Licht hoher Intensität durchstrahlt, er¬ scheint es durchscheinend. In nachteiliger Weise jedoch ist die Ortsauflösung sehr gering und nicht geeignet, eine informationsreiche, ortsabhängige, bildliche Wiedergabe des Streuers zu erhalten. In diesem Zusam¬ menhang ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Durchleuchten eines Objektes mit, ins- besondere sichtbarem Licht mit hoher Ortsauflösung bereitzustellen.
Die Zielsetzung wird mit einer die Merkmale des An¬ spruchs 1 aufweisenden Vorrichtung erreicht.
Im einzelnen weist die Vorrichtung Mittel auf, mit deren Hilfe paralleles Licht durch eine kodierte Aper¬ tur hindurchtritt und anschließend dieses Licht fokus- siert wird. Das zu durchleuchtende Objekt ist dabei in der Brennebene des fokussierten Lichtes positioniert.
Dabei können Mittel vorgesehen sein, die eine Abtastung innerhalb der Brennebene durch Verschieben des zu durchleuchtenden Objektes (der diffuse Streuer) erlauben. Des weiteren weist die Vorrichtung Mittel zum Kollimieren des durch das Objekt hindurchtretenden
Lichtes auf. Schließlich ist ein lichtempfindlicher De¬ tektor vorgesehen, der das so kollimierte Licht auf¬ fängt. Das Detektorsignal wird dabei an eine elektroni- sehe Bildverarbeitung weitergeleitet. Im Ergebnis kann damit auch bei diffuser Streuung eine hohe Ortsauf¬ lösung im Streuer (wie z.B. die menschliche Hand) erfolgen.
Eine zweckmäßige Ausführungsform weist gemäß Anspruch 2 Mittel zum Verschieben zwecks selektiver Durchleuchtung einzelner Bereiche des Objektes in der Brennebene auf. Damit kann der diffuse Streuer nach und nach abgetastet werden und insgesamt ein komplettes Bild des durch¬ leuchteten Objektes durch Zusammenfügen der einzelnen Signale der lokalen Abtastung erhalten werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich gemäß Anspruch 3, wenn ein
Codierungsmuster in der Apertur vorgesehen ist, das auf die zur Auswertung eines gemessenen Detektorsignals zum Einsatz kommenden Kreuzkorrelation abgestimmt ist.
Im folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels und Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 schematische Darstellung der einzelnen
Komponenten der erfindungsgemäßen Vor¬ richtung auf dem Lichtweg von der Quelle bis zum Detektor;
Figur 2a Intensität des Lichtes als Funktion des
Ortes am Empfänger für Code ohne Streulicht; Figur 2b Intensität des Lichtes als Funktion des Ortes am Empfänger für Code mit Streulicht durch schwache Absorption
Figur 2c Intensität des Lichtes als Funktion des
Ortes am Empfänger für abgeschwächten Code durch stärkere Absorption.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquelle 1 auf, die in der Brennebene einer Linse 2 positioniert ist, so daß hinter dieser Linse paralleles Licht aus dieser Linse 2 heraus und durch eine codierte Apertur 4 hindurchtritt und sodann von einer weiteren Linse 5 fokussiert wird. In der Brennebene der Linse 5 ist nunmehr der zu durchleuchtende, diffuse Streuer 6 positioniert. Das durch diesen hindurchtretende Licht trifft nach Hindurchtreten einer Blende 7 zur Kolli- mierung auf einen Detektor 8, speziell einen Sensor- array 8. Von dort aus wird das so aufgenommene elektrische Signal an eine elektronische Bildver¬ arbeitung 9 weitergeleitet. Die Vorrichtung weist zudem eine nicht im einzelnen dargestellte Abtastvorrichtung auf, die die Verschiebung des diffusen Streuers 6 in der Brennebene der Linse 5 erlaubt, so daß eine sukzes- sive Abtastung des Objektes mit Hilfe dieser Vorrich¬ tung erreicht wird.
Im einzelnen soll eine Lichtquelle 1 gewählt werden, die eine möglichst hohe Lichtintensität aufweist. Die codierte Apertur 4 enthält ein bestimmtes Muster auf¬ weisende Öffnungen in der Aperturebene. Der elektroni¬ sche Detektor 8 kann dabei z.B. ein CCD oder ein Diodenarray sein. Verfahrensmäßig wird das zu untersu¬ chende Objekt 6 mit dem durch die Apertur 4 gemusterten Licht in der Brennebene nach und nach abgetastet, wobei die am Detektor 8 so erhaltenen Einzelinformationen elektronisch zu einem Gesamtbild verarbeitet werden. Im folgenden sei im einzelnen die Messung an einem Punkte des Objektes näher erläutert:
Wäre im Strahlengang kein diffuser Streuer, würde das Muster der Apertur als Ergebnis am Detektor erhalten werden. Dabei ist dieses Muster so gewählt, daß ein Ge¬ genmuster in der elektronischen Auswertung existiert, dessen Kreuzkorrelation mit dem Muster ein einziges, ausgeprägtes Maximum besitzt. Es wurde erkannt, daß im Falle der Durchleuchtung eines diffusen Streuers an einer bestimmten Stelle diffuse Streuanteile hinzukom¬ men, so daß das Muster der Apertur mit einem "Schleier" überlagert wird. Das gestreute Licht demgegenüber ist jedoch nicht gemustert, da diese Streuung unkorreliert zum Muster erfolgt.
Soweit die Kreuzkorrelation auf elektronischem Wege durchgeführt wird und sich dabei Muster und gestreutes Licht nicht überlagern, wird der nichtgemusterte Anteil durch die Kreuzkorrelation unterdrückt. Bei der Kreuz¬ korrelation liefert das unkorrelierte, nichtgemusterte Licht keinen Beitrag zum maximalen Signal . Vielmehr ist der Beitrag des unkorrelierten Lichtes gegenüber dem Beitrag des korrelierten vernachlässigbar klein.
Es wurde die zwei dimensionale Kreuzkorrelationsfunktion
Φxy = ∑i, x[n+l,n+k] * y[l,k]
zwischen Maske und empfangenem Bild verwendet. Bei vorgegebener Dicke des Streuers ist die am Detektor gemessene Höhe des Maximums der Lichtintensität ein Maß für die Lichtabsorption im Streuer.
Es wird dabei von der Voraussetzung ausgegangen, daß im Streuer kleine Bereiche mit erhöhter Lichtabsorption existieren, die gefunden werden sollen. Ein typisches Beispiel könnte in diesem Zusammenhang ein Holzsplitter in der zu durchleuchtenden Hand bilden.
Durch Abtastung des interessierenden Bereiches des Ob¬ jektes läßt sich dann mit hoher Auflösung die Stelle mit erhöhter Lichtabsorption finden, da dort das Maxi¬ mum der Kreuzkorrelationsfunktion kleiner ist als an den Nachbarstellen.
Wie aus Figur 2a hervorgeht, zeigt das vom Detektor aufgefangene Signal eine Codierung, die der Musterung der Apertur entspricht, für den Fall, daß kein Streuer in der Vorrichtung positioniert wurde. In den Figuren
2b und 2c ist für den Fall der Durchleuchtung eines Ob¬ jektes in der Brennebene der Linse 5 der erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung eine modifizierte Musterung (Code), die auch einen Streulichtanteil enthält, der in Abhän- gigkeit einer mehr oder weniger starken Absorption im diffusen Streuer an der lokalen Stelle mehr (Figur 2c) oder weniger (Figur 2b) geschwächt wird.
Im einzelnen ist es zweckmäßig für den praktischen Ein- satz, die Vorrichtung so auszugestalten, daß die Me߬ zeit pro Abtastpunkt des zu durchleuchtenden Objektes möglichst gering, z.B. unterhalb einer ms, beträgt. In diesem Falle würde eine Abtastfläche von 100 x 100 mm2 innerhalb von etwa 10 s eine bildliche Darstellung des Objektes ermöglichen. Es ist vorstellbar, zur Durchführung der Streumessungen den Streuer mit Hilfe einer Abtastvorrichtung zu ver¬ schieben. Vorstellbar ist jedoch auch, bei festposi¬ tioniertem Streuer entsprechend die Apparatur während der Abtastung zu verschieben. Dabei kann eine solche
Verschiebung mechanisch, aber auch optisch, ohne mecha¬ nische Verschiebung von Lichtquelle, Apertur und Detektor erfolgen.
im übrigen kann es vorteilhaft sein, als Licht ein sol¬ ches vorzusehen, das eine bestimmte, möglichst große Wellenlänge aufweist. Es ist dabei vorstellbar, als Lichtquelle eine solche vorzusehen, die im infraroten Bereich arbeitet.
Die codierte Apertur und die Mittel zum Fokussieren des codierten Lichtes können auch dadurch realisiert werden, daß Licht durch eine Anordnung von einer Mehr¬ zahl an Glasfaser, die zueinander so angeordnet sind, daß auf der Lichtaustrittsseite dieses Glasfaserbündels im Ergebnis ein konvergierender Lichtbündel erhalten wird, der aufgrund der gezielt angeordneten Glasfaser eine definierte, erwünschte Musterung aufweist. Auf diese Weise kann die beanspruchte Vorrichtung auf der Lichteintrittsseite des diffusen Streuers in Glasfaser¬ technologie und damit in vorteilhafter Weise kompakt und in Vergleich zu optischen Linsensystemen frei von den solche Linsensystemen behaftenden Nachteilen ausgebildet sein.
In entsprechender Weise kann auch auf der Lichtaus¬ trittsseite des diffusen Streuer eine solche Glasfaser¬ anordnung zum Einsatz kommen um das durch den Streuer hindurchgetretene Licht mit Hilfe einer in Richtung auf den Streuer zu konvergierenden Anordnung von Glasfasern aufzufangen und an den Detektor, insb. den Sensorarray selektiv weiterzuleiten.
Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn zu jeder einzelnen Glasfaser auf der Lichteintrittsseite des Streuers zum Auffangen und Weiterleiten des Lichtes dieser Glasfaser auf der Lichtaustrittsseite des Streuers eine Glasfaser vorgesehen ist, die an ihrem dem Streuer benachbarten Ende eine räumliche Orientierung aufweist, die bewirkt, daß der nicht am diffusen Streuer gestreute Anteil des aus der Glasfaser auf der Lichteintrittsseite austretenden und durch den zu untersuchenden Bereich des Streuer hindurchtretenden Lichtes sodann auf der Lichtaustrittsseite des Streuers an dem Ende der
Glasfaser auf der Lichtaustrittsseite des Streuers in die Glasfaser gelangt und auf diese Weise aufgefangen und weitergeleitet wird.
Die Vorrichtung ist zur Durchleuchtung menschlichen Ge¬ webes beispielsweise im Bereich der Mammographie ge¬ eignet und würde in vorteilhafter Weise bisher bekannte Verfahren mit Hilfe von Röntgenstrahldurchleuchtung zu einem gewissen Grad ersetzen. Vorstellbar ist jedoch auch, die Vorrichtung dort einzusetzen, wo nicht menschliches Gewebe durchleuchtet und damit untersucht werden soll.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Vorrichtung zum Durchleuchten eines Objektes mit
a) einer codierten Apertur, durch die paralleles Licht hindurchtreten soll,
b) Mitteln zum Fokussieren dieses codierten Lichtes,
c) einem in der Brennebene des fokussierten Lichts zu durchleuchtenden Objekt,
d) Mitteln zum Kollimieren des durch das Objekt hindurchgetretenen Lichtes und
e) einem dieses Licht auffangenden, lichtempfindlichen Detektor.
Vorrichtung nach Anspruch 1
f) mit Mitteln zum Verschieben zwecks selektiven Durchleuchtens einzelner Bereiche des Objektes in der Brennebene. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2
g) mit einem auf die zur Auswertung eines gemessenen Detektorsignals zum Einsatz kommenden Kreuzkorrelation abgestimmten Codierungsmuster.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3
10 h) wobei als codierte Apertur und Mittel zum Fokussieren des codierten Lichtes eine Mehrzahl an Glasfasern vorgesehen sind, die an deren Lichtaustrittsseite in Richtung auf den 15 diffusen Streuer zu so zueinander angeordnet sind, daß das durch die einzelnen Glasfaser hindurchtretene Licht auf diese Weise einen konvergierenden, codierten Lichtbündel bildet.
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