СИСТЕМА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕМНО-РАССЕИВАЮЩЕЙ СРЕДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФФУЗНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
SYSTEM, COMPUTING DEVICE AND METHOD OF DETERMINING OPTICAL PROPERTIES OF VOLUME SCATTERING MEDIUM USING DIFFUSE REFLECTOMETRY

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к способу определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды без проникновения и без разрушения объемно-рассеивающей среды. Более конкретно, в данной заявке раскрыты система, вычислительно устройство и способ, реализующие определение оптических свойств объемно-рассеивающей среды с использованием диффузной рефлектометрии.
Уровень техники
[0002] Объемно-рассеивающие среды такие как, например, биоматериал (кровь, кожа), дерево, фармакологические и другие композиции, продукты и другие материалы, которые подпадают под определение мутной среды, обладают двумя главными параметрами, которые определяют их оптические свойства: коэффициентом рассеяния и коэффициентом поглощения. Для точного определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды крайне важно, чтобы измерение этих коэффициентов было точным.
[0003] Большинство известных устройств неинвазивного определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды основаны на спектрометрии и измеряют эту среду лишь по одному отклику, определяемому комбинацией коэффициентов рассеяния и поглощения, за раз. Таким образом, точность этого отклика снижается из-за явления перекрестных помех, при котором излучение, прошедшее через измеряемую объемно-рассеивающую среду и характерное для определенной зоны на поверхности объемно-рассеивающей среды, одновременно принимается двумя или более расположенными рядом фотодетекторами (приемниками) из массива фотодетекторов в оптической приемной системе в силу присущих этой оптической приемной системе аберраций. Таким образом, отношение сигнал/шум (SNR) существенно снижается даже при перекрестных помехах в 1%.
«METHOD FOR MEASURING LOCALLY AND SUPERFICIALLY THE SCATTERING AND ABSORPTION PROPERTIES OF TURBID MEDIA»
[0004] Патентный документ EP1119763 (A1) - 2001-08-01 раскрывает . Решение, раскрытое в патентном документе ‘763, является, по мнению Заявителя, ближайшим аналогом. В одном варианте осуществления упомянутого решения предоставляется блок источника коллимированного или сфокусированного излучения, оптический детекторный блок, который сформирован из одномерного или двухмерного массива оптических детекторов, и блок обработки сигналов. Таким образом, раскрытое в документе '763 решение проводит измерения лишь по одному отклику за раз, т.е. этому решению все еще присущи перекрестные помехи на стороне фотодетекторов, которые существенно снижают SNR.
Сущность изобретения
[0005] Для решения вышеописанной технической проблемы и достижения технического результата, заключающегося в повышении точности определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды за счет исключения перекрестных помех на стороне фотодетекторов, предложены следующие основные аспекты изобретения, раскрытого в данной заявке.
[0006] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена система определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды с использованием диффузной рефлектометрии, содержащая: по меньшей мере один источник излучения, выполненный с возможностью обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде в области ввода излучения; оптическую приемную систему, выполненную с возможностью приема излучения, прошедшего через объемно-рассеивающую среду, в области приема излучения для получения распределения интенсивности излучения, при этом оптическая приемная система содержит массив ЖК(жидкокристаллических)-ячеек, массив микролинз и массив фотодетекторов, которые совмещены так, что каждой ЖК-ячейке из массива ЖК-ячеек соответствует соответствующая микролинза из массива микролинз и соответствующий фотодетектор из массива фотодетекторов; по меньшей мере один разделитель, отделяющий область ввода излучения от области приема излучения и выполненный с возможностью предотвращения попадания излучения, частично отраженного от поверхности объемно-рассеивающей среды в области ввода излучения, в область приема излучения оптической приемной системы; блок управления, выполненный с возможностью управления оптической приемной системой, во время обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде в области ввода излучения, для побуждения оптической приемной системы к последовательному открытию каждой ЖК-ячейки из массива ЖК-ячеек с одновременным приемом излучения, прошедшего через соответствующую открытую ЖК-ячейку и микролинзу, соответствующим фотодетектором из массива фотодетекторов, чтобы получить упомянутое распределение интенсивности излучения; и блок обработки данных, выполненный с возможностью определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды на основе распределения интенсивности излучения.
[0007] Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено вычислительное устройство пользователя с функцией определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды, содержащее установленные по меньшей мере частично в корпусе вычислительного устройства пользователя: по меньшей мере один источник излучения, выполненный с возможностью обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде в области ввода излучения; оптическую приемную систему, выполненную с возможностью приема излучения, прошедшего через объемно-рассеивающую среду, в области приема излучения для получения распределения интенсивности излучения, при этом оптическая приемная система содержит массив ЖК-ячеек, массив микролинз и массив фотодетекторов, которые совмещены так, что каждой ЖК-ячейке из массива ЖК-ячеек соответствует соответствующая микролинза из массива микролинз и соответствующий фотодетектор из массива фотодетекторов; по меньшей мере один разделитель, отделяющий область ввода излучения от области приема излучения и выполненный с возможностью предотвращения попадания излучения, частично отраженного от поверхности объемно-рассеивающей среды в области ввода излучения, в область приема излучения оптической приемной системы; процессор, выполненный с возможностью: управления оптической приемной системой, во время обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде в области ввода излучения, для побуждения оптической приемной системы к последовательному открытию каждой ЖК-ячейки из массива ЖК-ячеек с одновременной регистрацией излучения, прошедшего через соответствующую открытую ЖК-ячейку, соответствующим фотодетектором из массива фотодетекторов, чтобы получить упомянутое распределение интенсивности излучения; и определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды на основе полученного распределения интенсивности излучения.
[0008] Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды, содержащий этапы, на которых: вводят излучение в область подсветки на поверхности объемно-рассеивающей среды с одновременным предотвращением попадания излучения, частично отраженного от поверхности объемно-рассеивающей среды в области подсветки, в целевую область оптической приемной системы, содержащей массив ЖК-ячеек, массив микролинз и массив фотодетекторов, которые совмещены так, что каждой ЖК-ячейке из массива ЖК-ячеек соответствует соответствующая микролинза из массива микролинз и соответствующий фотодетектор из массива фотодетекторов; принимают посредством оптической приемной системы излучение, прошедшее через объемно-рассеивающую среду, в целевой области для получения распределения интенсивности излучения, при этом упомянутый прием излучения содержит подэтапы, на которых, одновременно с вводом излучения в область подсветки на поверхности объемно-рассеивающей среды: последовательно открывают каждую ЖК-ячейку из массива ЖК-ячеек и регистрируют излучение, прошедшее через открытую ЖК-ячейку, соответствующим фотодетектором из массива фотодетекторов, чтобы получить множество значений интенсивности излучения, которое представляет упомянутое распределение интенсивности излучения; и определяют оптические свойства объемно-рассеивающей среды на основе распределения интенсивности излучения.
Краткое описание чертежей
[0009] Другие аспекты, особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалисту в данной области после ознакомления с нижеследующим подробным описанием вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
1
[ФИГ. 1] Фиг. 1 иллюстрирует вид сбоку варианта осуществления системы 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии в начальный момент t времени работы.
1
[ФИГ. 2] Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху варианта осуществления системы 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии в начальный момент t времени работы.
2
[ФИГ. 3] Фиг. 3 иллюстрирует вид сбоку варианта осуществления системы 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии в последующий момент t времени работы.
[ФИГ. 4] Фиг. 4 иллюстрирует вариант осуществления вычислительного устройства 300 пользователя с функцией определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20.
[ФИГ. 5] Фиг. 5 иллюстрирует вариант осуществления способа определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20.
[ФИГ. 6] Фиг. 6 иллюстрирует подэтапы этапа приема S405 излучения, прошедшего через объемно-рассеивающую среду 20, в целевой области для получения распределения интенсивности излучения согласно варианту осуществления способа определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20, показанного на фигуре 5.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
0
газовой
[0010] Фиг. 1 иллюстрирует вид сбоку варианта осуществления системы 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии в начальный момент (t) времени работы. Вид сверху этого варианта осуществления системы 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии в начальный момент времени работы проиллюстрирован на фиг. 2. Объемно-рассеивающая среда 20 показана на фиг. 1-2 в качестве примера среды, оптические свойства которой желают определить с помощью системы 100. Должно быть понятно, что среда 20 в состав самой системы 100 не входит. Кроме того, должно быть понятно, что ориентация среды 20 относительно компонентов системы 100 не обязательно является такой, как показана на фиг. 1-2. Объемно-рассеивающей средой 20, может быть, но без ограничения далее упомянутыми средами, биоматериал (например, кровь, кожа), дерево, фармакологические и другие композиции, продукты, газ, в каком-либо прозрачном сосуде, а также другие материалы, которые подпадают под определение мутной среды. Если предполагается использование системы 100 для определения оптических свойств или анализа  объемно-рассеивающей среды 20, система 100 может дополнительно включать в себя камеру (не показана на фигурах) из прозрачного материала (например, стекла), в которую предварительно накачивается или которая иным образом наполняется газовой объемно-рассеивающей средой 20, оптические свойства или анализ которой необходимо определить/провести.
[0011] Система 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии, проиллюстрированная на фиг. 1-2, содержит по меньшей мере один источник 105 излучения, выполненный с возможностью обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде 20 в области 10 ввода излучения. В предпочтительном варианте осуществления источником 105 излучения является, но без ограничения упомянутым, источник когерентного излучения (например, лазер), светодиод(ы) (LED), суперлюминесцентный диод(ы) (SLD), лампа (например, ксеноновая) с фильтром. Примеры лазеров, которые могут быть использованы: DFB лазер, VCSEL и др. Должно быть понятно, что область 10 ввода излучения показана на фиг. 1-2 схематично. Фактический размер и форма области 10 ввода излучения (т.е. пятна подсветки на поверхности объемно-рассеивающей среды 20) зависит от типа, формы и количества источников излучения 105, а также от расстояния от источников 105 излучения до поверхности объемно-рассеивающей среды 20. При использовании источника 105 излучения без передающей оптической системы, источник 105 располагают как можно ближе к поверхности объемно-рассеивающей среды 20, в противном случае пятно подсветки на поверхности объемно-рассеивающей среды 20 становится большим, а точность восстановления оптических свойств уменьшается. Конкретное расстояние от источника 105 излучения до поверхности объемно-рассеивающей среды 20 может быть подобрано эмпирически с учетом конструктивных особенностей корпуса (не показан) системы 100 и взаимного расположения компонентов системы 100 в этом корпусе.
[0012] Система 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии, проиллюстрированная на фиг. 1-2, содержит оптическую приемную систему 110. Оптическая приемная система 110 выполнена с возможностью приема излучения, прошедшего через объемно-рассеивающую среду 20, в области 15 приема излучения для получения распределения интенсивности излучения. Должно быть понятно, что область 15 приема излучения показана на фиг. 1-2 схематично. Фактический размер и форма области 15 приема излучения (т.е. целевой области на поверхности объемно-рассеивающей среды 20) зависит от типа, формы и количества элементов в оптической приемной системе 110. Конкретное расстояние от поверхности объемно-рассеивающей среды 20 до оптической приемной системы может быть подобрано эмпирически с учетом конструктивных особенностей корпуса (не показан) системы 100 и взаимного расположения компонентов системы 100 в этом корпусе. При этом оптическая приемная система 110 содержит массив 110.1 ЖК-ячеек, массив 110.2 микролинз и массив 110.3 фотодетекторов, которые совмещены так, что каждой ЖК-ячейке из массива ЖК-ячеек соответствует соответствующая микролинза из массива микролинз и соответствующий фотодетектор из массива фотодетекторов (см. фиг. 1). В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения массив 110.1 ЖК-ячеек, массив 110.2 микролинз и массив 110.3 фотодетекторов совмещены друг с другом в указанном порядке по мере удаления от объемно-рассеивающей среды 20 и, опционально, могут быть смонтированы в корпусе оптической приемной системы 110, как показано на фиг. 1-2.
[0013] Согласно настоящему изобретению массив 110.1 ЖК-ячеек может состоять из двух или более ЖК-ячеек, размещенных в по меньшей мере один ряд, массив 110.2 микролинз может состоять из двух или более микролинз, размещенных в по меньшей мере один ряд, и массив 110.3 фотодетекторов может состоять из двух или более фотодетекторов, размещенных в по меньшей мере один ряд. В конкретном (иллюстративном) варианте осуществления, показанном на фиг. 1-2, размерностью каждого из массива 110.1 ЖК-ячеек, массива 110.2 микролинз и массива 110.3 фотодетекторов является 1×6 (шесть элементов в каждом массиве, выстроенные в один ряд). Специалисту будет понятно, что могут иметь место другие размерности упомянутых массивов, например, 1×2, 2×6, 6×6, а также то, что увеличение числа элементов может повысить разрешающую способность оптической приемной системы 110. В предпочтительном варианте осуществления массив 110.1 ЖК-ячеек, массив 110.2 микролинз, массив 110.3 фотодетекторов содержат одинаковое число соответствующих элементов. Тем не менее, может иметь место такой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором массив 110.1 ЖК-ячеек, массив 110.2 микролинз, массив 110.3 фотодетекторов содержат разное число соответствующих элементов, например, массив 110.1 ЖК-ячеек содержит одну ЖК-ячейку, массив 110.2 микролинз содержит один приемник.
[0014] Система 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии, проиллюстрированная на фиг. 1-2, содержит по меньшей мере один разделитель 115, отделяющий область 10 ввода излучения от области 15 приема излучения и выполненный с возможностью предотвращения попадания излучения, частично отраженного от поверхности объемно-рассеивающей среды 20 в области 10 ввода излучения, в область 15 приема излучения оптической приемной системы 110. В предпочтительном варианте осуществления оптическая приемная система 110 размещена относительно по меньшей мере одного источника 105 излучения и по меньшей мере одного разделителя 115 так, что расстояние источник-детектор (SDS) увеличивается между по меньшей мере одним источником излучения и каждым следующим фотодетектором в по меньшей мере одном ряду фотодетекторов, что проиллюстрировано на фиг. 1. Благодаря этому можно анализировать различные области объемно-рассеивающей среды 20. В конструкции системы 100 по меньшей мере один источник 105 излучения и оптическая приемная система 110 расположены друг относительно друга так, чтобы область 10 ввода излучения и область 15 приема излучения друг с другом не перекрывались, как показано, например, на фиг. 1.
1
N
N
1
[0015] Система 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии, проиллюстрированная на фиг. 1-2, содержит блок 120 управления, выполненный с возможностью управления оптической приемной системой 110, во время обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде 20 в области 10 ввода излучения, для побуждения оптической приемной системы 110 к последовательному открытию каждой ЖК-ячейки из массива 110.1 ЖК-ячеек с одновременным приемом излучения, прошедшего через соответствующую открытую ЖК-ячейку и микролинзу, соответствующим фотодетектором из массива 110.3 фотодетекторов, чтобы получить распределение интенсивности излучения. При последовательном открытии каждой ЖК-ячейки из массива 110.1 ЖК-ячеек блок 120 управления в частности выполнен с возможностью управления оптической приемной системой 110 для побуждения оптической приемной системы 110 к последовательному открытию каждой ЖК-ячейки из массива 110.1 ЖК-ячеек, начиная с той ЖК-ячейки, которой соответствует фотодетектор с наименьшим SDS-расстоянием (SDS на фиг.1), и продолжая до тех пор, пока не будет открыта та ЖК-ячейка, которой соответствует фотодетектор с наибольшим SDS-расстоянием (SDS на фиг. 1). В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения направление открытия ЖК-ячеек может начинаться c самой дальней ЖК-ячейки с наибольшим SDS-расстоянием (SDS на фиг. 1) и продолжаться по направлению к ЖК-ячейке с наименьшем SDS-расстоянием (SDS на фиг. 1). В альтернативном варианте осуществления последовательное открытие может включать в себя открытие всех четных ЖК-ячеек, а затем всех нечетных ЖК-ячеек. Специалистам будут понятны другие варианты осуществления последовательного открытия, при которых соблюдается условие, что соседние ЖК-ячейки к открываемой ЖК-ячейке закрыты. Последовательное открытие каждой ЖК-ячейки и прием лишь излучения, прошедшего через нее и соответствующую фокусирующую линзу, позволяет исключить перекрестные помехи между фотодетекторами. Другими словами, при такой последовательности действий избегается ситуация, при которой излучение из одной зоны на поверхности объемно-рассеивающей среды 20 в области 15 приема излучения одновременно регистрируется двумя или более смежными фотодетекторами.
1
1
1
2
2
2
[0016] Для открытия соответствующей ЖК-ячейки блок 120 управления выполнен с возможностью приложения управляющего напряжения к соответствующей ЖК-ячейке. Должно быть понятно, что согласно настоящему изобретению в определенный момент времени открывается лишь одна ЖК-ячейка, а в следующий момент времени открытая ЖК-ячейка закрывается и следующая ЖК-ячейка из массива ЖК-ячеек открывается и т.д. При необходимости можно провести несколько измерений каждой ЖК-ячейкой, т.е. циклов измерения от первой ЖК-ячейки в массиве до последней ЖК-ячейки в массиве может быть несколько. Под открытием ЖК-ячейки понимается такое ее состояние, при котором излучение может через нее проходить. Изначально ЖК-ячейка закрыта, т.е. не пропускает излучение. Для приема излучения фотодетектором блок 120 управления выполнен с возможностью выдачи управляющего сигнала на массив 110.3 фотодетекторов для побуждения соответствующего фотодетектора или всего массива 110.3 фотодетекторов к приему излучения. Для последовательного открытия каждой ЖК-ячейки из массива 110.1 ЖК-ячеек с одновременным приемом излучения блок 120 управления синхронизирует момент приложения управляющего напряжения к соответствующей ЖК-ячейке с моментом выдачи управляющего сигнала на соответствующий фотодетектор или массив 110.3 фотодетекторов. Таким образом, в начальный момент (t) времени работы, который проиллюстрирован на фиг. 1-2, оптическая приемная система 110 получает значение интенсивности излучения в подобласти области 15 приема излучения, которой соответствует расстояние SDS (посредством первых элементов оптической приемной системы 110, которые соответствуют расстоянию SDS). В последующий момент (t) времени работы, который проиллюстрирован на фиг. 3, оптическая приемная система 110 получает значение интенсивности излучения в подобласти области 15 приема излучения, которой соответствует расстояние SDS (посредством вторых элементов оптической приемной системы 110, которые соответствуют расстоянию SDS) и т.д.
[0017] Система 100 определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии, проиллюстрированная на фиг. 1-3, содержит блок 125 обработки данных, выполненный с возможностью определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 на основе распределения интенсивности излучения. В предпочтительном варианте осуществления для определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 блок 125 обработки данных в частности выполнен с возможностью сравнения измеренных значений интенсивности излучения из распределения интенсивности излучения, полученного для объемно-рассеивающей среды 20, c соответствующим набором возможных значений интенсивности излучения для данного типа объемно-рассеивающей среды 20 из множества наборов возможных значений интенсивности излучения, предварительно смоделированных методом Монте-Карло для различных оптических свойств объемно-рассеивающих сред разных типов, чтобы найти поднабор значений интенсивности излучения, который минимизирует ошибку E:
где S - количество фотодетекторов,
i=1…S - номер фотодетектора,
- измеренное значение интенсивности излучения для фотодетектора i; и
- моделированное значение интенсивности излучения для фотодетектора i;
[0018] Найденный поднабор значений, который минимизирует ошибку E, указывает определенные оптические свойства (коэффициент поглощения и коэффициент рассеяния) объемно-рассеивающей среды 20. Определенный тип (например, кожа, воздух и т.д.) объемно-рассеивающей среды 20, по которому будут проводится измерения, может указываться предопределенным значением (например, значение “1” соответствует коже, значение “2” соответствует выдыхаемому воздуху) параметра типа объемно-рассеивающей среды 20, которое может приниматься блоком ввода (не показан), который для этих целей может быть включен в состав системы 100. В другом варианте осуществления, в котором система 100 всегда используется лишь для определенного типа измеряемой объемно-рассеивающей среды 20, например, кожи, системе 100 нет необходимости принимать ввод типа измеряемой объемно-рассеивающей среды 20 каждый раз, поскольку такой тип от измерения к измерению меняться не будет. В этом другом варианте осуществления блок 125 обработки данных может быть предварительно сконфигурирован производителем системы 100 или пользователем системы 100 необходимым набором возможных значений интенсивности излучения для определенного типа объемно-рассеивающей среды 20, который система 100 всегда использует при определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20. Для этих целей блок 125 обработки данных может обладать функцией хранения данных для хранения соответствующего набора возможных значений интенсивности излучения для определенного типа объемно-рассеивающей среды 20; или система 100 или иное устройство (пример такого устройства будет описан далее более подробно), в состав которого такая система 100 может быть включена, может дополнительно включать в себя память (не показана), выполненную с возможностью хранения соответствующего набора возможных значений интенсивности излучения для определенного типа объемно-рассеивающей среды 20, а также любых других данных, например, считываемых-компьютером инструкций для исполнения системой 100 процедуры определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 с использованием диффузной рефлектометрии, которые необходимы для функционирования системы 100.
z0
μa, t
μa, b
μs
[0019] Далее приводятся дополнительные пояснения по моделированию методом Монте-Карло наборов возможных значений интенсивности излучения для определенного типа объемно-рассеивающей среды 20. Общий алгоритм моделирования методом Монте-Карло известен из уровня техники. Моделирование методом Монте-Карло в настоящей заявке используется для решения задачи прямого численного моделирования распространения излучения в определенной объемно-рассеивающей среде. Моделирование методом Монте-Карло согласно настоящему изобретению включает в себя операцию, на которой осуществляют трассировку лучей. Трассировка лучей может быть осуществлена с помощью специального программного обеспечения (например, LightTools), либо с помощью кода, осуществляющего моделирование Монте-Карло с трассировкой лучей и написанного на любом подходящем языке программирования, например, на языке программирования C. В качестве примера для проведения Монте-Карло моделирования может быть использована двухслойная модель объемно-рассеивающей среды 20 с 4 свободными параметрами: толщина верхнего слоя , коэффициент поглощения верхнего слоя , коэффициент поглощения нижнего слоя , коэффициент рассеяния , который считается равным для верхнего и нижнего слоев.
Дополнительные особенности и альтернативные варианты осуществления системы 100
[0020] Необязательно, массивом 110.2 микролинз является массив ЖК-микролинз (не показан), выполненных с возможностью изменения фокусного расстояния под управлением блока 120 управления в зависимости от величины прикладываемого к ним управляющего напряжения. Благодаря этому возможно изменять увеличение системы в процессе измерений. Кроме того, система 100 может дополнительно содержать зеркально-линзовую систему (не показана) на стороне по меньшей мере одного источника 105 излучения, выполненную с возможностью формирования параллельного или сходящегося пучка излучения, падающего на поверхность объемно-рассеивающей среды 20 по нормали или наклонно, с помощью одной или более линз (не показана) и/или одного или более зеркал (не показано). Зеркально-линзовая система может быть рассчитана и спроектирована таким образом, чтобы на поверхности объемно-рассеивающей среды 20 формировалось область (пятно) подсветки требуемого размера. При уменьшении размера области подсветки точность определения оптических свойств (т.е. измерения) возрастает. Конкретный размер области подсветки может быть подобран эмпирически с учетом конструктивных особенностей системы 100 согласно общему правилу, чем меньше область подсветки, тем больше будет точность определения оптических свойств. Управляя углом падения излучения на объемно-рассеивающую поверхность 20 (на этапе проектировки зеркально-линзовой системы) можно: (i) получить минимальное SDS, то есть навести область подсветки как можно ближе к разделителю за счет наклона пучка (и этим повысить мощность излучения, регистрируемого на фотодетекторах), (ii) изменить длину пути излучения в среде 20.
1
N
[0021] В другом варианте осуществления оптическая приемная система 110 установлена в оправе (не показана) с возможностью перемещения по существу вдоль поверхности объемно-рассеивающей среды 20 для обеспечения возможности приема излучения оптической приемной системой 110 с различными SDS-расстояниями. Благодаря такой подвижной установке оптическая приемная система 110, содержащая, в альтернативном варианте осуществления, группу из установленных друг над другом (по аналогии с совмещением таких элементов на фиг. 1) единственной ЖК-ячейки, единственной микролинзы и единственного фотодетектора, все еще будет выполнена с возможностью получения распределения интенсивности излучения в области 15 приема излучения посредством последовательной регистрации интенсивностей излучения при перемещении оптической приемной системы 110 на различные SDS-расстояния (SDS-SDS). Само перемещение может осуществляться за счет любого известного из уровня техники средства (не показано), например, шагового электропривода, пьезоэлектического микродвигателя.
[0022] В дополнительном варианте осуществления оптическая приемная система 110 в системе 100 дополнительно содержит дополнительный массив микролинз (не показан), совмещенный с массивом ЖК-ячеек, массивом микролинз и массивом фотодетекторов, при этом один из дополнительного массива микролинз и массива микролинз установлен в оправе (не показана) с возможностью перемещения по существу перпендикулярно поверхности объемно-рассеивающей среды 20 относительно неподвижного другого из дополнительного массива микролинз и массива микролинз. Само перемещение может осуществляться за счет любого известного из уровня техники средства (не показано), например, шагового электропривода, пьезоэлектического микродвигателя. Благодаря данной особенности увеличение оптической приемной системы 110 может быть изменяемым, т.е. в зависимости от требуемой задачи можно исследовать больший или меньший объем среды 20.
[0023] Система 100 может содержать оптоволокно (не показано), связанное с по меньшей мере одним источником 105 излучения и выполненное с возможностью передачи излучения от по меньшей мере одного 105 источника излучения к объемно-рассеивающей среде 20 в области 10 ввода излучения. Использование оптоволокна на стороне источника 105 излучения обеспечивает возможность гибкой установки и свободной ориентации по меньшей мере одного источника 105 излучения и любых других компонентов зеркально-линзовой системы для миниатюризации размера конечной системы 100 или устройства, в которое такая система 100 может быть установлена. При использовании оптоволокна на стороне по меньшей мере одного источника 105 излучения система 100 может дополнительно содержать референсный канал, выполненный с возможностью отведения части излучения, передаваемого от по меньшей мере одного источника излучения, на референсный приемник, который выполнен с возможностью измерения изменения мощности (например, из-за нагрева) по меньшей мере одного источника 105 излучения на основании интенсивности отводимого излучения и сообщения измеряемого изменения мощности на блок 125 обработки данных для учета этого изменения при определении оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 на основе распределения интенсивности излучения. Отведение части излучения из оптоволокна в референсный канал может быть обеспечено посредством светоделителя (не показан). Благодаря такому учету изменения со временем мощности источника 105 излучения, точность определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 не имеет тенденции к постепенному ухудшению.
[0024] Оптическая приемная система 110 имеет корпус, при этом, опционально, по меньшей мере одним разделителем 115 является по меньшей мере часть корпуса оптической приемной системы 110. Кроме того, по меньшей мере часть корпуса оптической приемной системы 110 может быть обеспечена зеркальной поверхностью и таким наклоном и/или формой, которая/которые выполнены с возможностью перенаправления падающего или выводимого на нее излучения, например, из оптоволокна, в область 10 ввода излучения на поверхности объемно-рассеивающей среды 20. Использование вышеуказанных особенностей при практической реализации настоящего изобретения обеспечивает возможность миниатюризации размера конечной системы 100 или устройства, в которое такая система 100 может быть установлена.
[0025] В дополнительном варианте осуществления по меньшей мере один разделитель 115 представляет собой стенку, герметично охватывающую периферию оптической приемной системы 110 и выступающую открытой для приема излучения стороной по направлению к области 15 приема излучения на поверхности объемно-рассеивающей среды 20. Выступающая часть стенки может быть закрыта прозрачным элементом, например, стеклом, для формирования герметичной камеры (не показана), которая может быть заполнена иммерсионной жидкостью. Формирование герметичной камеры с иммерсионной жидкостью на пути излучения, регистрируемого в области 15 приема излучения оптической приемной системой 110, позволяет увеличить числовую апертуру приемной оптической системы, т.е. в этом случае приемная оптическая система соберет на фотодетекторы больше света, другими словами, мощность излучения на фотодетекторах будет выше.
[0026] Специалисту будет понятно, что система 100 дополнительно содержит блок питания (не показан), выполненный с возможностью подачи питания на по меньшей мере один источник 105 излучения, оптическую приемную систему 110, блок 120 управления и блок 125 обработки данных. Кроме того, должно быть понятно, что блок питания, по меньшей мере один источник 105 излучения, оптическая приемная система 110, по меньшей мере один разделитель 115, блок 120 управления и блок 125 обработки данных по меньшей мере частично размещены в корпусе, которым может быть корпус носимого устройства. На фиг. 1-3 корпус системы 100 не проиллюстрирован для упрощения иллюстраций.
Другие аспекты настоящего изобретения:
- Вычислительное устройство 300 пользователя -
[0027] Во втором аспекте настоящего изобретения обеспечено вычислительное устройство 300 пользователя с функцией определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20. Вычислительное устройство 300 схематично показано на фигуре 4. Вычислительное устройство 300 пользователя содержит установленные по меньшей мере частично в корпусе вычислительного устройства 300 пользователя: по меньшей мере один источник 305 излучения, выполненный с возможностью обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде 20 в области 10 ввода излучения; оптическую приемную систему 310, выполненную с возможностью приема излучения, прошедшего через объемно-рассеивающую среду 20, в области 15 приема излучения для получения распределения интенсивности излучения, по меньшей мере один разделитель 315, отделяющий область 10 ввода излучения от области 15 приема излучения и выполненный с возможностью предотвращения попадания излучения, частично отраженного от поверхности объемно-рассеивающей среды 20 в области 10 ввода излучения, в область 15 приема излучения оптической приемной системы 310; и процессор 320.
[0028] Оптическая приемная система 310 содержит массив 310.1 ЖК-ячеек, массив 310.2 микролинз и массив 310.3 фотодетекторов, которые совмещены так, что каждой ЖК-ячейке из массива 310.1 ЖК-ячеек соответствует соответствующая микролинза из массива 310.2 микролинз и соответствующий фотодетектор из массива 310.3 фотодетекторов. Оптическая приемная система 310 может быть аналогична оптической приемной системе 110, проиллюстрированной и описанной со ссылками на фиг. 1-3. Тем не менее должно быть понятно, что конкретная конфигурация и ориентация (относительно источников 105, 305 излучения) как оптической приемной системы 110, так и оптической приемной системы 310 могут быть любыми, но не выходящими за пределы приведенного выше описания. В качестве примера, число элементов в каждом из массивов, содержащихся в оптических приемных системах 110, 310, может быть любым адекватным числом, начиная от 1 (в варианте осуществления оптической приемной системой, которая выполнена с возможностью перемещения вдоль границы раздела воздух/объемно-рассеивающая среда 20) и выше (6 в каждом из массивов на фиг. 1-3). Кроме того, должно быть понятно, что как в первом аспекте (система 100) настоящего изобретения, так и во втором аспекте (устройство 300) настоящего изобретения периферия оптической приемной системы 110, 310 может быть окружена разделителем и несколько источников излучения могут быть установлены с противоположных сторон для увеличения мощности сигнала на фотодетекторах. Любые другие особенности, описанные выше со ссылкой на систему 100 согласно первому аспекту настоящего изобретения, также применимы к вычислительному устройству 300 пользователя согласно второму аспекту настоящего изобретения.
[0029] Процессор 320 вычислительного устройства 300 пользователя выполнен с возможностью управления оптической приемной системой 310, во время обеспечения излучения к объемно-рассеивающей среде 20 в области 10 ввода излучения, для побуждения оптической приемной системы 310 к последовательному открытию каждой ЖК-ячейки из массива 310.1 ЖК-ячеек с одновременной регистрацией излучения, прошедшего через соответствующую открытую ЖК-ячейку, соответствующим фотодетектором из массива 310.3 фотодетекторов, чтобы получить упомянутое распределение интенсивности излучения и определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 на основе полученного распределения интенсивности излучения. Процессор 320 вычислительного устройства 300 пользователя согласно второму аспекту настоящего изобретения может реализовывать функциональные возможности блока 120 управления и блока 125 обработки данных из первого аспекта настоящего изобретения. Любое из процессора 320, блока 120 управления и блока 125 обработки может быть реализовано как система на кристалле (СнК), система в корпусе (СвК), программируемая логическая интегральная схема (FPGA), интегральная схема специального назначения (ASIC) и т.д. Вычислительным устройством 300 пользователя может быть, но без ограничения, любое из смартфона, планшета, умных часов, умного браслета и т.д.
- Способ определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 -
[0030] В третьем аспекте настоящего изобретения обеспечен способ определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20, проиллюстрированный на фиг. 5. Упомянутый способ содержит этапы, на которых: вводят S400 излучение в область подсветки на поверхности объемно-рассеивающей среды 20 с одновременным предотвращением попадания излучения (посредством использования разделителя области подсветки и целевой области), частично отраженного от поверхности объемно-рассеивающей среды 20 в области подсветки, в целевую область оптической приемной системы, содержащей массив ЖК-ячеек, массив микролинз и массив фотодетекторов, которые совмещены так, что каждой ЖК-ячейке из массива ЖК-ячеек соответствует соответствующая микролинза из массива микролинз и соответствующий фотодетектор из массива фотодетекторов; принимают S405 посредством оптической приемной системы излучение, прошедшее через объемно-рассеивающую среду 20, в целевой области для получения распределения интенсивности излучения; и определяют S410 оптические свойства объемно-рассеивающей среды 20 на основе распределения интенсивности излучения.
[0031] Упомянутый прием S405 излучения содержит проиллюстрированные на фиг. 6 подэтапы, на которых, одновременно с вводом S400 излучения в область подсветки на поверхности объемно-рассеивающей среды 20: последовательно (друг за другом, по одной или несколько) открывают S405.1 каждую ЖК-ячейку из массива ЖК-ячеек и регистрируют S405.2 излучение, прошедшее через открытую ЖК-ячейку, соответствующим фотодетектором из массива фотодетекторов, чтобы получить множество значений интенсивности излучения, которое представляет упомянутое распределение интенсивности излучения.
- Другие возможные аспекты и другие пояснения -
[0032] Согласно другому аспекту может быть обеспечен считываемый компьютером носитель, содержащий исполняемые компьютером инструкции для реализации этапов и подэтапов способа определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды 20 посредством по меньшей мере источника излучения, процессора и оптической приемной системы.
[0033] Упоминание какого-либо элемента данного описания в единственном числе не исключает его возможной множественности в фактической реализации. Использование терминов “первый”, “второй” и т.д. не следует интерпретировать как указывающие какой-либо приоритет или предпочтительную очередность каких-либо элементов, описанных в этом описании с использованием таких терминов. Вместо этого эти термины используются лишь для проведения различия между одним или несколькими однотипными элементами и, следовательно, упрощения их описания. Использование терминов “содержит” и “включает в себя” везде в этом описании означает открытый список. Используемый термин “массив” используется в данном описании для указания на множество однотипных элементов, при этом сам термин не предполагает, что такие элементы изначально собраны как единый компонент-массив, вместо этого термин “массив” может означать множество однотипных элементов (ЖК-ячеек, микролинз, фотодетекторов), производимых как отдельные элементы, которые равномерно распределяются по определенной площади и фиксируются друг относительно друга любым средством, например, крепежным элементом, клеем, общей подложкой и т.п.
Промышленная применимость
[0034] Раскрытое в настоящей заявке изобретение может быть применено как часть датчика для неинвазивного медицинского контроля различных показателей жизнедеятельности, например, уровня глюкозы в крови, оксигенации, изменений в микроструктуре ткани (связанных, например, с интраэпителиальной неоплазией). Такое применение может иметь место в медицинском учреждении или в домашних условиях. Кроме того, датчик для неинвазивного медицинского контроля, использующий раскрытое в настоящей заявке изобретение, может применяться как носимое устройство.
[0035] Раскрытое в настоящей заявке изобретение может быть применено как часть медицинского газоанализатора для определения концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе. Поскольку имеется корреляция между потреблением кислорода в легких и скоростью метаболизма возможно определять: показатель VO2 max для спортивной медицины, расход калорий, отклик организма на лечение, гипоксию и т.д. Раскрытое в настоящей заявке изобретение также может быть применено для контроля качества воздуха для определения наличия вредных веществ, частиц и т.д. в воздухе. Кроме того, раскрытое в настоящей заявке изобретение также может быть применено для контроля качества продуктов для определения свежести фруктов, овощей, молочных продуктов; определения концентрации вредных добавок в продуктах; контроля за процессом брожения молока при переработке молока в такие различные продукты, как сыр, сливки, йогурт и т.д.
[0036] Раскрытое в настоящей заявке изобретение также может применяться в фармацевтике, в том числе для определения характеристик исходного материала, контроля за процессом получения порошка, контроля за процессом гранулирования, контроля за процессом производства таблеток и для определения характеристик конечных продуктов. Наконец, раскрытое в настоящей заявке изобретение может применяться для определения характеристик (степени разрушения и вкраплений) изготовленных из дерева археологических ценностей без их разрушения.
[0037] После ознакомления с данным описанием специалисту будут понятны другие варианты осуществления настоящего изобретения, модификации, эквивалентные признаки и особенности. Предполагается, что все такие другие варианты осуществления настоящего изобретения, модификации, эквивалентные признаки и особенности охватываются нижеприведенной формулой изобретения.
Список ссылочных позиций
10 - Область ввода излучения
15 - Область приема излучения
20 - Объемно-рассеивающая среда
100 - Система определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды с использованием диффузной рефлектометрии
105 - Источник излучения
110 - Оптическая приемная система
110.1 - Массив ЖК-ячеек
110.2 - Массив микролинз
110.3 - Массив фотодетекторов
115 - Разделитель
120 - Блок управления
125 - Блок обработки данных
300 - Вычислительное устройство пользователя с функцией определения оптических свойств объемно-рассеивающей среды
305 - Источник излучения
310 - Оптическая приемная система 310
310.1 - Массив ЖК-ячеек
310.2 - Массив микролинз
310.3 - Массив фотодетекторов
315 - Разделитель
320 - Процессор.